Kontaktanordnung für einen Vakuum-Leistungsschalter

Abstract

 Die Kontaktanordnung für einen Vakuum-Leistungsschalter weist mindestens einen Schaltkontakt (21) auf, der aus einer als kontaktgebendes Teil ausgebildeten Hauptelek­trode und einer die Hauptelektrode umgebenden Lichtbogen­elektrode besteht. Letztere stellt einen Rotationskörper mit relativ kleinem Querschnitt dar, der vorzugsweise als Rechteck ausgebildet und an einer Stelle durch einen in tangentialer Richtung geführten Schlitz (8) aufgetrennt ist. Die Lichtbogenelektrode (6) ist beispielsweise auf einem Ab­satz (7) des Kontaktkörpers (1) so befestigt, daß ihr äuße­res Ende mit dem Absatz (7) leitend verbunden ist, während der Rest der Lichtbogenelektrode (6) auf einem den Ab­satz (7) von der Lichtbogenelektrode (6) trennenden Iso­lierstoffzwischenlage (9) befestigt ist. Bei dieser Aus­führung ist zwischen der Lichtbogenelektrode (6) und dem Kontaktkörper (1) ein nicht unterbrochener Spalt (5) vor­gesehen.
Der Kontaktkörper (1) ist durch radial verlaufende Schlitze (2) so unterteilt, daß ein auf der Kontaktfläche (20) oder dem Kontaktring (4) entstehender Lichtbogen (L) eines Kurzschlußstromes infolge elektromagnetischer Kräfte mit seinem Fußpunkt auf die Lichtbogenelektrode (6) gezwungen wird und dort auf der umlaufenden, nur durch einen Schlitz (8) unterbrochenen Bahn ideale Laufbedin­gungen vorfindet. Die Lichtbogenelektrode kann auch aus mehreren spiralförmig angeordneten Windungen bestehen, wodurch eine besonders lange ununterbrochene Lauffläche für den Schaltlichtbogen entsteht.
Die Kontaktanordnung stellt eine Verbesserung zur Unter­brechung kontrahierter, stromstarker Lichtbögen in Va­kuumschaltern dar.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung für einen Vakuum-Leistungsschalter nach den Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Ein solcher Schaltkontakt ist aus DE-OS 33 03 659 bekannt. Der bekannte Schaltkontakt arbeitet mit einer zentral angeordneten kreis- oder kreisringför­migen Kontaktgabe-Elektrode und einer diese konzentrisch um­gebenden, mit dieser durchgehend leitend verbundenen Licht­bogenelektrode, deren Stirnfläche gegenüber der der Kontakt­gabe-Elektrode zurücktritt. In beiden Elektroden sind ge­meinsame Schlitze eingearbeitet, die gegenüber der Kontakt­achse unterschiedliche Richtungen aufweisen. Ein in der Zone der Kontaktgabe-Elektroden entstehenden Lichtbogen hat bei Kurzschlußströmen auf Grund der elektrodynamischen Wirkung der geometrischen Form der Kontaktteile das Bestreben, in radialer Richtung von der Kontaktachse weg zu wandern. Dabei springen die Fußpunkte auf die tiefer liegenden Lichtbogen­elektroden und laufen dort nach außen zur jeweiligen Seg­mentspitze. Erreichen sie diese bei einem relativ hohen Augenblickswert des Stromes, so springt der Lichtbogen nach einer Verweildauer auf das nächste Segment. Bei dem bekannten Schaltkontakt entstehen an den Schlitzkanten größere Auf­schmelzungen, die bei wiederholten Unterbrechungen örtlich auch zu einer leitenden Überbrückung des Schlitzes führen können. Außerdem steht der Lichtbogen nach der Kommutierung auf das nächste Segment in einem Gebiet geringer Rotations­kräfte im Fußpunktgebiet.

[0002] Aus Gründen der Formstabilität und der Wärmeableitung sind die leitenden Querschnitte beider Elektroden relativ dick und erzeugen daher bedeutende Wirbelströme, die dem Licht­bogenvortrieb entgegenwirken.

[0003] Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, das Schaltver­mögen eines Vakuum-Leistungsschalters durch verbesserte Um­laufbedingungen für den kontrahierten Lichtbogen zu erhöhen. Zur Lösung der Aufgabe ist bei mindestens einem Schaltkontakt der Kontaktanordnung vorgesehen, daß
- die Hauptelektrode einen Kontaktkörper (1, 11) mit einem die kreisringförmige Kontaktfläche (20) am gesamten Um­fang umgebenden Absatz (7) aufweist, der durch gleichmäßig verteilte, zum Mittelpunkt der Hauptelektrode gerichtete, bis in die Vertiefung (10) reichende Schlitze (2), in Sek­toren (18, 18a) unterteilt ist, und
- die Lichtbogenelektrode (6, 14) einen die Kontaktfläche (20) mit einem Spalt (5) umgebenden Rotationskörper bildet, der unter Beilage einer Isolierstoffzwischenlage (9, 17) auf dem Absatz (7) befestigt ist und durch mehrere, vor­zugsweise einen Schlitz (8) unterbrochen ist, wobei jeweils ein dem Schlitz (8) benachbarter Abschnitt der Lichtbogenelek­trode (6, 14) mit einem Sektor (18a) des Kontaktkörpers (1, 11) in galvanischer Verbindung steht.

[0004] Bei der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung wirkt auf einen stromstarken Lichtbogen am Entstehungsort, also auf der Kontaktfläche der Hauptelektrode, bereits eine große Kraft ein, die ihn zum raschen Übergang auf die Lichtbogenelek­trode zwingt. Das wird durch die sektorförmige Unterteilung des Kontaktkörpers bei relativ großer Anzahl der Sektoren erreicht. Nachdem der Lichtbogen nach kurzer Zeit auf die Lichtbogenelektrode kommutiert hat, wird er mit besonders großer Geschwindigkeit auf dieser weiterbewegt. Dies wird durch den im Lichtbogenfußpunktgebiet zwischen dem resul­tierenden Strompfas in der Lichtbogenelektrode und der Bo­genachse vorliegenden Winkel von annähernd 90 ° erreicht, der die größtmögliche Lorentzkraft ergibt. Außerdem braucht der Lichtbogen pro Umlauf nur höchstens einmal einen Schlitz zu überwinden.

[0005] Als weiterer Vorteil können auf Grund des relativ kleinen, gleichbleibenden Querschnitts der Lichtbogenelektrode Wir­belströme nur mehr in unbedeutendem Maße entstehen und so­mit die Vortriebskräfte für den Lichtbogen nicht mehr schmä­lern. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterentwick­lungen der Erfindung an.

[0006] Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert:

[0007] Es zeigen:

Figur 1 : Schnitt A-B einer Kontaktanordnung.

Figur 2 : Draufsicht auf einen Schaltkontakt nach Figur 1.

Figur 3 : Schnitt C-D eines Schaltkontaktes in modifizierter Ausführung.

Figur 4 : Draufsicht auf einen modifizierten Schalt­kontakt nach Figur 3.

Figur 5 : Figur 6 : Figur 7 : Funktionelle Darstellungen der Kräfte auf den Lichtbogen.

Figur 8 : Draufsicht auf einen modifizierten Schalt­kontakt nach Figur 1.

[0008] Ein Schaltkontakt 21 der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung besteht nach Figur 1 und 2 aus einem topfförmigen Kontakt­körper 1, der durch radial angeordnete Schlitze 2 unter­teilt ist. Der Kontaktkörper 1 ist sowohl mit dem Kontakt­bolzen 3, als auch mit einem Kontaktring 4 leitend verbunden. Der Kontakring 4 ist aus einem unter der Einwirkung des Lichtbogens abbrandfesten Werkstoff geringer Schweißneigung hergestellt. Der Kontaktring 4 ist von einer Lichtbogenelek­trode 6 umgeben, die nach Figur 1 und 2 auf einem entspre­chend geformten Absatz 7 des Kontaktkörpers 1 angeordnet ist. Diese Lichtbogenelektrode 6 besteht aus einem an einer Stelle durch einen etwa tangential gegen seinen Innendurch­messer mit einem Schlitz 8 von der Länge T aufgetrennten Ring mit Rechteckquerschnitt. Das äußere Ende 6a dieses Rings ist in der Länge des Sektors 18a des Kontaktkörpers 1 mit dem Absatz 7 leitend verbunden. An allen anderen Stellen ist die­ser Ring jedoch durch eine Isolierzwischenlage 9, z.B. aus einem keramischen Werkstoff, von dem Absatz 7 getrennt. Die leitende Verbindung zwischen dem Ende 6a der Lichtbogenelek­trode 6 und dem Absatz 7 ist in Figur 2 durch eine Schraffur angegeben.

[0009] Nach Figur 8 ist auch eine leitende Verbindung 22 zwischen dem inneren Ende 6b der Lichtbogenelektrode 5 und dem be­nachbarten zylindrischen Teil des Kontaktkörpers 1 möglich. Die Isolierstoff-Zwischenlage 9 wird bei dieser Lösung nicht unterbrochen. Ein im Sektor 18a entstehender Lichtbogen er­reicht das innere Ende 6b der Lichtbogenelektrode 6, ohne daß sein Fußpunkt den Spalt 4 überspringen muß. Die Breite W der leitenden Verbindung 22 ist nach einem wei­teren Erfindungsmerkmal schmaler als die Länge T des Schlitzes 8. Daher wird ein im Bereich der Breite W auf das innere Ende 6b kommutierender Lichtbogen eine Kraft in Rotationsrichtung (Pfeil) erfahren, die ihn nach einem vollen Umlauf an die Spitze 5a treibt; bei neuerlicher Kommutie­rung auf den Anfang der Lichtbogenelektrode 6 springt der Lichtbogen auf eine Zone, in der bereits wieder eine wirk­same Kraft in Rotationsrichtung herrscht.

[0010] Die sich gegenüber stehenden Flächen der Lichtbogenelek­troden 6 der Schaltkontakte 21 einer Kontaktanordnung ge­mäß Figur 1 berühren sich im geschlossenen Zustand der Schaltkontakte nicht, da sie gegenüber den Kontaktflächen der Kontaktringe 4 jeweils um das Maß s zurückliegen. Bei dem erfindungsgemäßen Schaltkontakt 21 entsteht nach Figur 5 der Lichtbogen L bei der Öffnung des Leistungs­schalters auf einer kreisringförmigen Kontaktfläche 20 bzw. auf dem Kontaktring 4, über den im geschlossenen Zu­stand des Schalters ein Stromkreis gespeist wird. Die Zu­leitung vom Kontaktbolzen 3 zum Kontaktring 4 erfolgt über den vertieft angeordneten Teil des durch Schlitze 2 sektor­förmig unterteilten Kontaktkörpers 1 und bringt so auf den Lichtbogen L eine vom Quadrat des Stromes abhängige, nach außen gerichtete Kraft F₁ zur Wirkung. Diese zwingt alle stromstarken Bögen auf die den Kontaktring 4 umgebende kreisförmige Lichtbogenelektrode 6 unter Überwindung des Spaltes 5. Auf Grund der in Figur 2 angegebenen elektri­schen Verbindung zwischen der Lichtbogenelektrode 6 mit dem Kontaktkörper 1 in nur einem Sektor 18a wird nun auf den nach Figur 5 in einem beliebigen anderen Sektor ste­henden Lichtbogen L eine Kraft F₂ in Umfangsrichtung aus­geübt und dieser somit zur Rotation veranlaßt. Der Schlitz 8 an dem zweiten Schaltkontakt einer Schaltstrecke muß da­bei so angelegt sein, daß die in Figur 6 angegebene Strom­richtung in beiden Lichtbogenelektroden 6 entsteht. Figur 7 zeigt ergänzend die Richtung der durch den Strom 1 in der Lichtbogenelektrode 6 und dem Lichtbogen L1 hervorgerufenen magnetischen Induktionen B₁ und B₂.

[0011] In den Figuren 3 und 4 ist eine vorteilhafte Modifikation der Erfindung dargestellt, bei der sich die Schlitze 2 auch in den Kontaktring 4 fortsetzen und dort getrennte Sektoren 13 bilden. So wird eine noch wirkungsvollere Radialkraft F₁ auf den Lichtbogenfußpunkt erzeugt, weil der gesamte Strom I nur durch einen Sektor 18 zur Kontaktfläche 20 fließen kann.

[0012] Nach dem weiteren Erfindungsmerkmal ist in den Figuren 3 und 4 außerdem eine spiralförmige Lichtbogenelektrode 14 angegeben, deren inneres Ende 14a mit der Länge T spitz zuläuft und dabei im Sektor 18a des Kontaktkörpers 11 in Stromverbindung mit dem Absatz 7 des letzteren steht. Die Lichtbogenelektrode 14 ist beispielsweise mit 2 Windungen ausgelegt. So wird dem Lichtbogen L eine Laufstrecke zur Verfügung gestellt. die größer als der Umfang der kontakt­gebenden Hauptelektrode ist, ohne dabei durch Schlitze oder dergleichen unterbrochen zu sein.

[0013] Ein Lichtbogen, der nach seiner Entstehung im Sektor 18a (Figur 4) auf die bereits beschriebene Weise auf das innere Ende 14a der Spirale springt, unterliegt einer in Umfangs­richtung wirkenden Kraft F

, die auf Grund der geometri­schen Verhältnisse nur sehr kleine Werte annehmen kann oder gar gegen Null geht. Durch die vorteilhafte Ausbildung der Lichtbogenelektrode 14 wird jedoch infolge der Radialkraft F₁ der Lichtbogen L zur Kommutierung auf deren zweite Win­dung veranlaßt und kann dann unter Wirkung der vollen Um­fangkraft F₂ rotieren. - Zur Erhöhung der nach außen gerich­teten Kraft F₁ kann erfindungsgemäß der Kontaktkörper 11 mit einer Ausnehmung 19 so ausgebildet werden, daß der Strom I in einem Teil des Kontaktkörpers 11 in Höhe der Lichtbogenelektrode 14 in radialer Richtung fließen kann.

[0014] Die Spirale der Lichtbogenelektrode 14 ist in Figur 4 mit zwei Windungen angegeben, sie kann prinzipiell noch mehr Windungen aufweisen. Eine solche Ausführung eignet sich vor allem für Schaltgeräte in Netzen, bei denen mit rela­tiv langen Lichtbogenzeiten zu rechnen ist, wie zum Bei­spiel bei Bahnnetzen mit einer Nennfrequenz von 16 2/3 Hz.

[0015] Vorteilhaft für die elektromagnetische Kraftwirkung auf den Lichtbogen ist eine möglichst niedrige Höhe H des Kon­taktkörpers 11; die innere Kreisfläche ist dann jedoch zur Vermeidung von Rückzündungen mit einer Isolierstoffplatte 12, vorzugsweise aus Keramik,abzudecken.

[0016] Weiterhin wird durch die angegebene angenähert tagentiale Richtung des Schlitzes 8 eine Überlappung erreicht, die vor allem bei der Ausführung nach Figur 3 und 4 eine Wirk­kungsvolle mechanische Versteifung des geschlitzten Kontakt­körpers 11 und der Kontaktringsektoren 13 bildet.

[0017] Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zwischen dem Kontaktring 4 bzw. den Sektoren 13 und der um­gebenden Laufelektrode 6 oder 14 ein isolierender Spalt 5 vorgesehen ist, der den gesamten Umfang entlang verläuft und mit einem geeigneten festen Isolierstoff gefüllt sein kann. Es ist auch vorteilhaft die Isolierzwischen­lage 9 mit Erhebungen 15 zu versehen, um bei Lotverbin­dungen eine leitende Brücke zwischen den Teilen der Laufelek­troden 6 bzw. 14 oder zwischen der Laufelektrode 6 und dem Umfang des Kontaktrings 4 oder dessen Trägerteil 16 zu ver­meiden.

Liste der Bezugszeichen

[0018] Kontaktkörper      1
Schlitz      2
Kontaktbolzen      3
Kontaktring      4
Spalt      5
Lichtbogenelektrode      6, 6a, 6b
Absatz (Kontaktkörper)      7
Schlitz (Lichtbogenelektrode      8
Isolierzwischenlage      9
Vertiefung      10
Kontaktkörper      11
Isolierstoffplatte      12
Kontaktringsektor      13
Lichtbogenelektrode      14, 14a
Erhebung (Zwischenlage)      15
Trägerteil (Kontaktkörper)      16
Isolierstoffzwischenlage      17
Sektor      18, 18a
Ausnehmung (Kontaktkörper)      19
Kontaktfläche      20
Schaltkontakt      21
leitende Verbindung      22.

Ansprüche

1. Kontaktanordnung für einen Vakuum-Leistungsschalter mit zwei Schaltkontakten, von denen mindestens einer aus folgenden Elementen besteht:
- eine kontaktgebende Hauptelektrode mit kreisring­förmiger Kontaktfläche, die eine kreisförmige Ver­tiefung einschließt, und die von mehreren zumindest annähernd radial vom Umfang der Hauptelektrode nach innen gerichteten Schlitzen durchgezogen ist,
- eine die Hauptelektrode umgebende, gegen diese zurück­gesetzte Lichtbogenelektrode, die mit im Peripheriebe­reich tangential angeordneten Schlitzen versehen ist, wobei diese Schlitze unter Änderung der Richtung in die der Hauptelektrode übergehen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Hauptelektrode einen Kontaktkörper (1, 11) mit einem die kreisringförmige Kontaktfläche (20) am ge­samten Umfang umgebenden Absatz (7) aufweist, der durch gleichmäßig verteilte, zum Mittelpunkt der Hauptelektrode gerichtete, bis in die Vertiefung (10) reichende Schlitze (2), in Sektoren (18, 18a) unter­ teilt ist, und
- die Lichtbogenelektrode (6, 14) einen die Kontakt­fläche (20) mit einem Spalt (5) umgebenden Rotations­körper bildet, der unter Beilage einer Isolierstoff­zwischenlage (9, 17) auf dem Absatz (7) befestigt ist und durch mehrere, vorzugsweise einen Schlitz (8) unterbrochen ist, wobei jeweils ein dem Schlitz (8) benach­barter Abschnitt der Lichtbogenelektrode (6, 14) mit einem Sektor (18a) des Kontaktkörpers(1, 11) in gal­vanischer Verbindung steht.

2. Kontaktanordung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt des die Lichtbogenelektrode (6) bildenden Rotationskörpers ein Rechteck ist.

3. Kontaktanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtbogenelektrode (6) durch einen tangential gerichteten Schlitz (8) unterbrochen ist, dessen Länge (T) in etwa der Breite eines Sektors (18a) des Kontakt­körpers (1) entspricht.

4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die galvanische Verbindung im Sektor (18a) zwischen dem Absatz (7) des Kontaktkörpers (1) und dem äußeren Ende (6a) der Lichtbogenelektrode (6) bei einer Unterbrechung der Isolierstoffzwischen­lage (9) an der Verbindungsstelle erfolgt.

5. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die galvanische Verbindung (22) in Sektor (18a) zwischen dem inneren Ende (6b) der Lichtbogenelek­trode (6) und der benachbarten zylindrischen Fläche des Kontaktkörpers (1) unter Überbrückung des Spal­tes (5) erfolgt; wobei die Breite (W) der Verbindung (22) kleiner als die Länge (T) des Schlitzes (8) ist.

6. Kontaktanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß Isolierstoffzwischenlage (9) aus beidseitig me­tallisierten Keramikringen hergest ellt ist.

7. Kontaktanordnung nach den Ansprüchen 1, 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kontaktkörper (1) durch die Schlitze (2) in eine Vielzahl von gleichgroßen Sektoren (18, 18a), unterteilt ist.

8. Kontaktanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die kreisringförmige Kontaktfläche (20) durch einen Kontaktring (4) aus einem Kontaktwerkstoff ge­ringer Schweißneigung und niedriger Verdampfungs­temperatur gebildet ist.

9. Kontaktanordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kontaktring (4) nicht geschlitzt ist.

10. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, 2, 3 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtbogenelektrode (6) aus einem Werkstoff mit geringer Erosion und guter Getterwirkung besteht.

11. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3 und 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtbogenelektrode (14) spiralförmig mit mehr als einer Windung ausgeführt ist.

12. Kontaktanordnung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtbogenelektrode (14) an ihrem inneren Ende (14a) in galvanischer Verbindung mit dem Ab­satz (7) oder dem zylindrischen Teil des Kontakt­körpers (11) steht und dabei die Isolierstoffzwischen­lage (17) unterbrochen oder der Spalt (5) überbrückt wird.

13. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1, 4, 6 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Isolierstoffzwischenlage (9, 17) mit Erhebun­gen (15) versehen ist, die zumindestens annähern die Breite des Spaltes (5) aufweisen.

14. Kontaktanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vertiefung (10) des Kontaktkörpers (1, 11) durch eine Isolierstoffplatte (12) aus hoch wärmebe­ständigem Werkstoff, z.B. Keramik abgedeckt ist.

15. Kontaktanordnung nach den Ansprüchen 1, 5, 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Spalt (5) in ganzer Höhe oder teilweise mit einem wärmebeständigen Isolierstoff ausgefüllt ist.

16. Kontaktanordnung nach den Ansprüchen 1, 3, 4, 5, 6 und 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kontaktkörper (1, 11) unterhalb des Kontakt­rings (4) bzw. der Kontaktringsektoren (13) eine Aus­nehmung (19) aufweist, die den Strompfad in den ein­zelnen Sektoren auf dem Niveau der Lichtbogenelektrode (6, 14) verlaufen läßt.

17. Kontaktanordnung nach den Ansprüchen 2 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Schaltkontakte (21) gleichartig ausgeführt und zueinander so angeordnet sind, daß die Schlitze (8) der Lichtbogenelektroden (6, 14) bezogen auf die ge­meinsame Kontaktachse dieselbe Richtung aufweisen und einander diametral gegenüberstehen.

Zeichnung