Kontaktanordnung für Vakuumschalter

Abstract

 Die hohlzylindrischen Kontaktträger (6, 8) von zwei koaxial zueinander angeordneten Topfkontakten (2, 4) enthalten gleichsinnig zur Achse (5) geneigte Schlitze (22, 24) und sind jeweils mit einer Kontaktplatte (26, 28) versehen. Erfindungsgemäß ist in einem Bereich des Außendurchmessers D der Kontaktträger (6, 8) von 60 bis 150 mm mit einer vorbestimmten Höhe H_T der Kontaktträger (6, 8) und einer Anzahl s der Schlitze (22, 24) sowie mit einem Azimut β der Schlitze (22, 24i die Bedingung


Mit dieser Gestaltung erhält man eine Kontaktanordnung mit einem axialen magnetfeld von mindestens 3,5 µT A.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit koaxial einander gegenüber angeordneten und in ihrer Achsrichtung relativ zueinander beweglichen Topfkontakten, deren hohlzylindrische Kontaktträger gleichsinnig zur Achse geneigte Schlitze enthalten und jeweils mit einer Kontaktplatte versehen sinc.

[0002] Die maximale Abschaltleistung von Vakuumschaltern ist bekanntlich gegeben durch die maximalen Werte des sicher abschaltbaren Stromes 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 Licntboaens, 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 schraubenförmig hin- und rückläufig ausgeführt sein. Die Herstellung solcher Vakuumschalter erfordert aber einen verhältnismäßig großen Aufwand.

[0003] Bei einer bekannten Ausführungsform einer Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit koaxial einander gegenüber angeordneten und in ihrer Achsrichtung relativ zueinander beweglichen Topfkontakten wird das axiale Magnetfeld zwischen den geöffneten Kontakten durch Spulenwindungen erzeugt, die durch Schlitze in den beiden Kontaktträgern entstehen. Diese Schlitze haben bei beiaen Kontakten den gleichen Drehsinn. Die einander zugewandten Stirnflächen der Kontaktträger sind jeweils curch den Rand einer im wesentlichen scheibenförmigen Kontaktplatte bedeckt. Ein zentraler Bereich der Kontaktplatte bildet die Kontaktauflagefläche. Zwischen der Kontaktplatte und dem Boden des Kontakts kann noch ein Stützkörper aus mechanisch festem und elektrisch schlecht leitendem Material vorgesehen sein. Die Kontaktplatten sind zur Unterdrückung von Wirbelströmen im allgemeinen mit radialen Schlitzen versehen (DE-OS 32 27 482).

[0004] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktanordnung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß einerseits eine große Stromtragfähigkeit sichergestellt ist, damit die Temperaturerhöhung durch den Nennstrom niedrig bleibt. Zugleich soll während der Lichtbogenphase im Spalt zwischen den geöffneten Kontakten ein zur Löschung großer Kurzschlußströme ausreichendes homogenes Magnetfeld erzeugt werden. Dazu ist eine hinreichende effektive Windungszahl erforderlich; zugleich muß aber der Widerstand der zwischen den Schlitzen gebildeten Segmente des als Spule wirkenden Kontaktträgers entsprechend begrenzt werden. Außerdem soll der Kontakt auch noch in einfacher Weise hergestellt werden können.. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes nur innerhalb bestimmter Bereiche von verschiedenen Beziehungen der das Magnetfeld bestimmenden Einflußgrößen zueinander möglich ist. Auch bei größerem Kontaktdurchmesser muß ein so großes und hinreichend homogenes Magnetfeld sichergestellt werden, daß man einen diffusen Lichtbogen erhält und zugleich die Bogenbrennspannung möglichst klein wird.

[0005] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Mit dieser Gestaltung der Kontakte erhält man im Luftspalt zwischen oen geöffneten Kontakten eine spezifische magnetische Induktion B_z/I von wenigstens 3,5 pT/A, vorzugsweise wenigstens 4 pT/A. Weitere besonders vorteilhafte Gestaltungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Es ist zwar bei einem vorbestimmten Durchmesser D der Kontakte eine Topftiefe H_T > 0,1 D ausreichend; sie wird jedoch vorzugsweise wenigstens 0,15 D, insbesondere wenigstens 0,2 D, gewählt. Bei verhältnismäßig großer Topftiefe H_T bis zu etwa 0,5 D kann ein entsprechend geringer Neigungswinkel α der Schlitze gegenüber der Achse der Kontakte gewählt werden. Die Wandstärke W der Kontaktträger wird vorzugsweise so auf den Durchmesser D und die Topftiefe H_T abgestimmt, daß die Kontaktträger bei einem mittleren Kontaktabstand wie ein Helmholtz-Spulenpaar wirken. Dadurch wird ein besonders homogenes axiales Magnetfeld in der Mitte zwischen den Kontakten erzeugt. Die Wandstärke W der als Spulen wirkenden Kontaktträger wird vorzugsweise wenigstens 7 mm gewählt und im allgemeinen 10 mm nicht wesentlich überschreiten.

[0006] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Kontaktanordnung für Vakuumschalter nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In Figur 1 sind zwei Kontakte in einer jeweils teilweise geschnittenen Seitenansicht dargestellt. Die Figuren 2 und 3 dienen zur Erläuterung der Gestaltung der Schlitze des Kontaktträgers. In den Figuren 4 bis 7 sind verschiedene Grenzwerte für die Gestaltung der Kontakte jeweils in einem Diagramm veranschaulicht.

[0007] In der Ausführungsform nach Figur 1 sind zwei Kontakte 2 und 4 mit ihren Stirnflächen in einem Abstand A von beispielsweise 15 mm koaxial einander gegenüber angeordnet. Ihre gemeinsame Achse ist in der Figur strichpunktiert angedeutet und mit 5 bezeichnet. Sie bestehen jeweils aus einem hohlzylindrischen Kontaktträger 6 bzw. 8, der über einen Kontaktboden 10 bzw. 12 mit einer als Bolzen gestalteten Stromzuführung 14 bzw. 16 verbunden ist. Die Kontakte 2 und 4 enthalten jeweils einen Stützkörper 18 bzw. 20 und sind jeweils mit einer Kontaktplatte 26 bzw. 28 abgedeckt. Diese Kontaktplatten sind an ihren Rändern jeweils mit einer in der Figur nicht näher bezeichneten Abschrägung versehen, so daß von ihnen jeweils ein zentraler Teil die Kontaktauflagefläche bildet. Die Stützkörper 18 und 20 sind jeweils als Rotationskörper gestaltet, deren Enden derart erweitert sind, daß sich ein Querschnitt etwa in der Form eines Doppel-T-Trägers ergibt.

[0008] Die Kontaktträger 6 und 8, deren Außendurchmesser gleich dem Durchmesser D von beispielsweise 90 mm der Kontakte 2 und 4 ist, enthalten jeweils mit einem heigungswinkel a.gegenüber der Achse 5 der Kontaktanordnung geneigte Schlitze 22 bzw. 24, die in den beiden Kontakten 2 und 4 gleichsinnig verlaufen, so daß sich die jeweils zwischen benachbarten Schlitzen 22 oder 24 gebildeten Stege 32 bzw. 34 in dem anderen Kontakt im gleichen Drehsinn fortsetzen. Die Höhe H der Kontaktträger, soweit sie mit Schlitzen versehen sind, bildet jeweils die Topftiefe, das ist in der dargestellten Ausführungsform der Kontakte 2 und 4 die gesamte Höhe H_T der Kontaktträger 6 bzw. 8.

[0009] Die Schlitze 22 und 24 können schraubenförmig mit einem konstanten Neigungswinkel x ausgebildet sein. Solche Schlitze können mit einem zylindrischen Fräser hergestellt werden, dessen Durchmesser gleich der Schlitzbreite ist und der wenigstens so lang wie die Wandstärke W der Kontaktträger 6 und 8 ist. Der Kontaktträger 6 bzw. 8 wird dabei schraubenförmig um seine Achse 5 geführt. Bei einem vorbestimmten Durchmesser D und einer Topf tiefe H_T ist der Neigungswinkel solcher schraubenförmiger Schlitze mit dem Azimut ß, das jeder der Schlitze 22 und 24 überstreicht, durch die Beziehung

verknüpft.

[0010] In besonders einfacher Weise können Schlitze mit ebener Schnittfläche hergestellt werden, beispielsweise durch Sägen. Solche Schlitze mit einem Neigungswinkel α_E der Schnittebene 36 gegen die Achse 5 sind in der Seitenansicht nach Figur 2 veranschaulicht, in der zur Vereinfachung nur ein einziger ebener Schnitt 22 angedeutet ist. Der Neigungwinkel α_E der Schnittebene 36 gegen die Achse 5 der Kontakte 2 und 4 mit einem Azimut ß nach Figur 3 ergibt sich aus der Beziehung

Dabei ist b der Abstand, welchen die von der Schnittebene 36 des Schlitzes 22 und der Stirnfläche 27 des Kontaktträgers 6 gebildete Schnittgerade 30 von der Achse 5 hat. ß-arc sin (2 b/D) wird vorzugsweise etwa 90° gewählt; daraus folgt, daß es die Bedingung ß ₌ 90° + arc sin (2 b/D) erfüllt. Damit wird tan α_E ein Maximum, wenn Abstand b, Durchmesser D und Topftiefe H_T vorgegeben sind.

[0011] Im Diagramm nach Figur 4 ist die Topftiefe H_T in Abhängigkeit vom Durchmesser D aufgetragen. Für einen Durchmesser D von 60 bis 150 mm und mit einem vorzugsweise einzuhaltencen unteren Grenzwert für die Topftiefe H_T = 0,15 D und einem oberen Grenzwert, der vorzugsweise H_T = 0,3 D nicht wesentlich überschreitet, kann die Topftiefe in einem Bereich gewählt werden, der durch eine untere Grenze H_Tu und eine obere Grenze H_To gegeben ist. Für Kontakte 2 und 4 mit einem Durchmesser von beispielsweise D = 90 mm kann die Topftiefe H_T etwa zwischen 13,5 und 27 mm betragen, wie es in dem Diagramm gestrichelt angedeutet ist.

[0012] Entsprechend dem Diagramm nach Figur 5, in dem die Schlitzzahl s in Abhängigkeit vom Durchmesser D aufgetragen ist, in einem Bereich gewählt, dessen untere und obere Grenze jeweils etwa durch eine strichpunktierte Gerade festgelegt sind. Da sich für die Schlitzzahl s jeweils nur ganze Zahlen ergeben, erhält man als untere und obere Begrenzung jeweils eine Treppenkurve. Für einen Durchmesser von beispielsweise D = 90 mm können zwischen 3 und 9 Schlitze gewählt werden, wie es in dem Diagramm gestrichelt angedeutet ist.

[0013] Im Diagramm nach Figur 6 ist das Azimut ß der Schlitze 22 und 24 in Abhängigkeit vom Durchmesser D aufgetragen. Ein Azimut ß zur Erzeugung der erforderlichen spezifischen magnetischen Induktion B_z/I = 3,5 µT/A in der Mitte zwischen den beiden Kontakten 2 und 4 ist durch eine Kurvenschar aufgetragen. Diese spezifische Induktion ist ausreichend zur Erzeugung einer diffusen Lichtbogenform auch bei hohem Schaltstrom. Parameter der in guter Näherung als Geraden verlaufenden Kurven ist die Schlitzzahl s in jeoem der Kontaktträger 6 und 8. Für oie Topftiefe h wurde oer vorzugsweise noch verwendbare wert h_T = 0,15 D und eine verhältnismäßig große Schlitzbreite von beispielsweise 2,6 mm angenommen. Die der Beziehung

entsprechende strichpunktierte Grenzgerade β_u gibt die Untergrenze des Bereiches für das Azimut β an, der mit geeigneten Werten der Schlitzzahl s, der Topftiefe H_T sowie der Schlitzbreite die Erzeugung des erforderlichen Mindest-Axialfeldes zur Erhöhung der Schaltleistung der Kontaktanordnung ermöglicht.

[0014] Die der Beziehung

entsprechende gestrichelte Grenzgerade β_o gibt die Obergrenze des Bereiches für das Azimut ß an, der mit geeigneten Werten der Schlitzzahl s, der Topftiefe H_T und der Schlitzbreite 2,6 mm die Erzeugung eines zur Erhöhung der Schaltleistung anzuwendenden Axialfeldes ermöglicht. Für einen Durchmesser D = 90 mm ergibt sich beispielsweise für eine Schlitzzahl s = 3 ein Azimut β = 108° und für eine Schlitzzahl s = 8 ein Azimut ß = 50°, wie es in der Figur gestrichelt angedeutet ist. Für eben geschnittene, vorzugsweise gesägte Schlitze 22 und 24 erhält man den anzuwendenden Bereich für den Neigungswinkel α_E aus Gleichung (II), indem man für das Azimut β jeweils die angegebenen Bereichsgrenzen einsetzt. Damit erhält man den Bereich

[0015] Um beispielsweise in einer Ausführungsform der Kontakte 2 und 4 mit schraubenförmigen Schlitzen und einem

in der Mitte zwischen den Kontakten 2 und 4 eine spezifische magnetische Induktion B_z/I = 4,2 pT/A zu erreichen, müssen abweichend vom Diagramm der Fiqur 6 die Schlitze das

[0016] Für das schraubenförmige Schlitzprofil erhält man nach

[0017] Dieser Schlitzwinkel α liegt etwa in der Mitte des Bereichs, der durch die Grenzen 66,2° für den kleinsten und 82,2° für den größten Schlitzwinkel bestimmt ist.

[0018] Der Widerstand für den als Spule wirkenden geschlitzten Kontaktträger 6 bzw. 8 ergibt sich zu

[0019] und der Widerstand der Parallelschaltung eines der Kontaktträger mit dem zugehörigen Stützkörper 18 bzw. 20 zu

[0020] Damit erhält man für eine zulässige, durch die ohmsche Erwärmung erzeugte Temperaturerhöhung der Kontaktträger von 50 K gegenüber dem Anfang der Kontaktbolzen 14 und 16 eine maximale Stromtragfähigkeit

[0021] Durch die angegebenen Werte von Kontaktdurchmesser D, Topftiefe H_T und Wandstärke W wirken die Kontakte 2 und 4 bei einem gegenseitigen Abstand

wie ein Helmholtz-Spulenpaar und erzeugen somit auf der Achse 5 zwischen den Kontakten 2 und 4 ein homogenes Feld.

[0022] Mit der Kontaktanordnung gemäß der Erfindung mit ebenem Schlitzprofil und mit einem Durchmesser D von 90 mm erhält man eine Abschaltleistung entsprechend einem abschaltbaren Strom I_{eff >} 50 kA bei einer Nennspannung von 15 kV und einem abschaltbaren Strom I_eff > 31,5 kA bei einer Nennspannung von 36 kV.

Ansprüche

1. Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit koaxial einander gegenüber angeordneten und in ihrer Achsrichtung relativ zueinander beweglichen Topfkontakten (2, 4) deren hohlzylindrische Kontaktträger (6, 8) gleichsinnig zur Achse (5) geneigte Schlitze (22, 24) enthalten und jeweils mit einer Kontaktplatte (26, 28) versehen sind, dadurch gekennzeichnet , daß für einen Bereich des Außendurchmessers D der Kontaktträger (6, 8)

mit einer Topftiefe H_T und einer Schlitzzahl s sowie einem Azimut ß der Schlitze (22, 24) die Bedingungen

2. Kontaktanodnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bedingung 0,15 D ≤ H_T ≤ 0,3 D erfüllt ist.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Neigungswinkel α_E der Schnittebene 36 ebener Schlitze (22, 24) und einem Abstand b der Schnittgeraden (30) von der Achse (5) der Kontakte (2, 4), dadurch gekennzeichnet , daß die Bedingung

erfüllt ist.

4. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke W der Kontaktträger (6, 8) die Bedingung

erfüllt.

Zeichnung