[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.
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.