[0001] Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung für eine Vakuumschaltkammer gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] Derartige Kontaktanordnungen umfassen ein festes und ein bewegliches Kontaktstück,
welch letzteres unter Zwischenfügung eines Faltenbalges aus der Schaltkammer herausgeführt
ist. Der Faltenbalg gestattet die Bewegung des beweglichen Kontaktstückes bei einer
Schalthandlung. Das Kontaktstück umfaßt meist einen Kontaktträger aus elektrisch gut
leitendem Material, z. B. aus Kupfer, und eine dem anderen Kontaktstück zugewandte
Kontaktplatte aus abbrandfestem Material, beispielsweise aus einer Chrom-Kupfer-Sinterlegierung.
Die Herstellung einer solchen Sinterlegierung ist ansich bekannt.
[0003] Wenn eine Schalthandlung vorgenommen wird, dann entsteht zwischen den beiden Kontaktplatten
ein Lichtbogen, der bei höheren Strömen kontrahiert und die Kontaktplatte thermisch
stark belastet. Aus diesem Grunde werden Maßnahmen getroffen, um zu erreichen, daß
der Lichtbogen entweder in Rotation versetzt wird oder als diffuser Lichtbogen brennt.
Zur Erzeugung einer Rotationsbewegung des Lichtbogens auf der Kontaktfläche der Kontaktplatte
sind viele Maßnahmen bekannt geworden. Herausgegriffen sei beispielsweise die Ausgestaltung
der Kontaktstücke als Spiralkontakt oder Topfkontakt mit entsprechend eingebrachten
Schlitzen, die ein radiales Magnetfeld erzeugen, das den kontrahierten Lichtbogen
in Rotationsbewegung versetzt.
[0004] Durch die Verwendung von axialen Magnetfeldern zur Beeinflussung des Lichtbogens
in einer Vakuumschaltkammer ist es möglich, anstatt eines kontrahierten Lichtbogens
einen Lichtbogen zu erzeugen, der in der diffusen Struktur brennt, wodurch die Bogenspannung
erheblich niedriger wird und das Unterbrechungsvermögen der Vakuumschaltkammer erhöht
werden kann. Außerdem werden Aufschmelzvorgänge an der Kontaktoberfläche im Vergleich
zum kontrahierten Lichtbogen stark reduziert.
[0005] In der Praxis gibt es unterschiedliche Methoden, um in einer Vakuumschaltkammer ein
axiales Magnetfeld zu generieren. Zunächst besteht die Möglichkeit, um die Kammer
selbst eine äußere, externe Spule anzuordnen, was aufwendig ist. Darüberhinaus kann
eine interne Spule innerhalb der Kammer vorgesehen werden, oder die Kontaktstücke
werden als Topfkontaktstücke ausgebildet, wodurch sich ebenfalls ein Axialmagnetfeld
ergibt. Auch können hufeisenförmige Strukturen hinter dem Kontakt angeordnet werden,
um den

tangentialen" magnetischen Fluß des Kurzschlußstromes in axialer Richtung umzulenken,
und darüberhinaus sind Geometrien bekannt, mit denen aufgrund der Kontaktform ein
magnetischer Vierpol erzeugt werden kann.
[0006] Durch Verwendung einer internen Spule hinter der Kontaktplatte kann ein Axialmagnetfeld
erzeugt werden, durch das die sog. nutzbare Oberfläche des Kontaktstückes um die Mitte
des Kontaktstückes herum konzentriert ist. Die nutzbare Oberfläche des Kontaktstückes,
auf der im wesentlichen der diffuse Lichtbogen brennt, beträgt dabei etwa 60 % bis
70 % der Gesamtoberfläche. Bei solchen Kontaktstücken, bei denen ein magnetischer
Vierpol erzeugt wird, ist eine effektive Nutzung der gesamten Kontaktoberfläche wegen
der Übergangsgebiete zwischen den einzelnen Feldabschnitten nicht möglich. Die nutzbare
Oberfläche beträgt dabei etwa 60 %.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kontaktanordnung der eingangs genannten Art zu
schaffen, bei der ein starkes axiales Magnetfeld mit hoher nutzbarer Oberfläche erzeugt
wird.
[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches
1 gelöst.
[0009] Jeder Kontaktträger besitzt demgemäß einen zylindrischen Abschnitt und einen am kontaktstückseitigen
Ende angeordneten kreisringförmigen Abschnitt; der zylindrische Abschnitt ist mit
dem kreisringförmigen Abschnitt mittels zweier miteinander fluchtender radialer Stege
verbunden und im Bereich der Stege mittels eines schräg verlaufenden Schlitzes geteilt,
so daß der Strom über einen der Stege dem kreisringförmigen Abschnitt und von diesem
über den anderen der Stege zu einem die Stege in Richtung zum anderen Kontaktstück
hin überragenden Vorsprung, auf dem die Kontaktplatte befestigt ist, fließt.
[0010] Wenn nun die beiden Kontaktstücke in einer Vakuumschaltkammer einander zugeordnet
sind, dann werden die Schlitze der beiden Kontaktstücke parallel zueinander ausgerichtet.
Dadurch fließt der Strom in dem einen Kontaktstück über den einen Steg zu dem ringförmigen
Abschnitt und teilt sich dort auf, wobei er etwa quer zur Längsachse den kreisringförmigen
Abschnitt in eine Richtung quer zur Längsachse durchfließt. Im anderen Steg fließt
der Strom in die gleiche Richtung wie im ersten Steg und von dort zur Kontaktplatte.
Im anderen Kontaktstück fließt der Strom von der Kontaktplatte über den anderen Steg
hin zu dem kreisringförmigen Abschnitt, durchfließt diesen kreisförmigen Abschnitt
in gleicher Richtung wie im einen, gegenüberliegenden Kontaktstück und gelangt von
dort über den ersten Steg in diesem Kontaktstück hin zu dem zylindrischen Abschnitt.
In den Stegen und in den kreisförmigen Abschnitten der beiden Kontaktstücke fließt
der Strom parallel und bezogen auf die Längsachse der Vakuumschaltkammer in gleiche
Richtung, wodurch zwischen den Kontaktstücken ein axiales bipolares Feld erzeugt wird,
das dafür sorgt, daß der Lichtbogen eine diffuse Struktur erhält.
[0011] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann dahin gehen, daß hinter
dem Kontaktstück ein Ring aus elektrisch schlechter leitendem Material, z. B. aus
Eisen, angebracht ist. Dieser Ring hat den Vorteil, das elektrische Feld zwischen
den Kontaktstücken im geöffneten Zustand noch weiter zu vergrößern.
[0012] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, daß dem
Kontaktstück ein Stützelement zugeordnet ist, das zwischen der Kontaktplatte oder
dem Ring und dem zylindrischen Abschnitt angeordnet ist und die Kontaktdruckkraft
auf den zylindrischen Abschnitt überträgt, so daß ein Zusammendrücken der Schlitze
verhindert ist. Dieses Stützelement besteht in bevorzugter Weise aus Edelstahl. Mit
diesem Stützkörper wird erreicht, daß ein Zusammendrücken des Schlitzes durch die
Kontaktkraft verhindert ist.
[0013] Anhand der Zeichnung, in der der Stand der Technik sowie ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
[0014] Es zeigen:
- Fig. 1a und 1b
- die Darstellung des Magnetfeldes bei Verwendung einer internen Spule, gemäß dem Stand
der Technik,
- Fig. 2a und 2b
- eine Anordnung mit interner Vierpolspule und vier effektiven Nutzflächen, ebenfalls
gemäß dem Stand der Technik,
- Fig. 3
- eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Kontaktanordnung,
- Fig. 4
- eine Aufsicht auf einen Kontaktträger gemäß Fig. 3, und
- Fig. 5a und 5b
- den Verlauf des Magnetfeldes über dem Radius der Kontaktanordnung nach Fig. 3 und
4.
[0015] Die Fig. 1a und 1a zeigen den Verlauf des Magnetfeldes B
z über dem Radius eines bekannten Kontaktstückes, hervorgerufen durch eine interne
Spule (nicht gezeigt), die hinter der Kontaktplatte, also der Kontaktoberfläche, des
Kontaktstückes K
1 innerhalb einer Vakuumschaltkammer gebildet wird. Die Fig. 1a zeigt den Verlauf des
Magnetfeldes B
z, entlang der Linie M
1-M
1 der Fig. 1a. Man erkennt einen mittleren kreisförmigen Bereich F
1, in dem das Magnetfeld B
z konstant ist, und einen kreisförmigen Bereich F
1a, der den Bereich F
1 umgibt und in dem das Magnetfeld größer ist. Die nutzbare Fläche (effektive Nutzfläche),
also der Bereich, in dem ein diffuser Lichtbogen brennen kann, ist der Bereich F
1 innerhalb des inneren Kreises, und gegenüber der gesamten Kreisfläche der Elektrode
beträgt die effektive Nutzfläche lediglich 60 % bis 70 %.
[0016] Bei der Ausführung nach den Fig. 2a und 2b ist eine interne Vierpolspulenanordnung
hinter der Kontaktfläche eines Kontaktstückes K
2 vorgesehen, bei der auf derLinie M
2-M
2 der Fig. 2b zwei Maxima B
z2maxa des Magnetfeldes B
z erzeugt sind. Zwischen diesen Maxima liegen zwei Maxima B
z2maxb, deren Vektor in die entgegengesetzte Richtung gerichtet ist, was durch die Symbole
Punkt bzw. Kreuz im Kreis dargestellt ist. Damit ergeben sich vier effektive Nutzflächen,
die weniger als 60 % der Kontaktoberfläche einschließen. Zwischen den einzelnen Nutzflächen
entstehen Bereiche, in denen kein oder nur ein geringes Magnetfeld vorhanden ist.
Die Schaltleistung ist demgemäß geringer als z. B. die eines Kontaktstückes, bei dem
ein Magnetfeldverlauf gemäß Fig. 1a und 1b erzeugt wird.
[0017] Die erfindungsgemäße Kontaktanordnung gemäß Fig. 3 und 4, die für eine Vakuumschaltkammer
angewendet wird, besteht aus einem festen Kontaktstück 10 und einem beweglichen Kontaktstück
11. Das feste Kontaktstück 10 ist an einem ortsfesten Kontaktstengel 12 angebracht
und besitzt einen Kontaktträger 13, der einen zylindrischen Abschnitt 14 und einen
kreisringförmigen Abschnitt 15 aufweist. Der kreisringförmige Abschnitt 15 ist mit
dem zylindrischen Abschnitt 14 mittels Stegen 16 und 17 verbunden, die radial angeordnet
sind und miteinander fluchten. Der kreisringförmige Abschnitt 15 wird mittig von einem
Vorsprung überragt, dessen Durchmesser dem Durchmesser des zylindrischen Abschnittes
14 entspricht. Auf dem Vorsprung 18 ist eine Kontaktplatte 19 befestigt. Während der
Kontaktträger 13 aus Kupfer hergestellt ist, besteht die Kontaktplatte 19 aus Chrom-Kupfer-Sintermaterial.
Auf der dem Kontaktstück 11 abgewandten Seite weist die Platte 19 eine Eindrehung
20 auf, in die ein Eisenring 21 eingelegt ist. An der der Kontaktfläche entgegengesetzt
liegenden Seite des Eisenringes 21 ist ein Stützkörper 22 eingesetzt, der sich mit
seinem anderen Ende an dem Kontaktstengel 12 abstützt.
[0018] Die Stege sind mittels eines schräg verlaufenden Schlitzes 23 getrennt, so daß beispielsweise
bei dem Kontaktträger 13 des beweglichen Kontaktstückes 11 sich ein Stromfluß I über
den zylindrischen Abschnitt 14 und den Steg 17 ergibt, der sich in die kreisringförmigen
Teilabschnitte 15a und 15b, wie mit den Pfeilen 30 und 31 angedeutet, aufteilt. Der
Stromfluß ½ x I fließt über die Teilabschnitte 15a und 15b von der rechten zur linken
Seite und vereinigt sich dort, um über den Steg 16 zu dem Vorsprung 18 des beweglichen
Kontaktstückes zu gelangen.
[0019] Die beiden Schlitze 23 der beiden Kontaktstücke 10 und 11 verlaufen parallel zueinander,
so daß sich im festen Kontaktstück 10 ein Stromfluß parallel zu dem Stromfluß im beweglichen
Kontaktstück 11 ergibt. Auch hier fließt der von dem beweglichen Kontaktstück 11 herkommende
Strom über den parallel zu dem Steg 17 angeordneten Steg nach rechts, um dann in den
Teilabschnitten 15a und 15b nach links zu fließen, von wo er über den entsprechenden
links befindlichen Steg in den zylindrischen Abschnitt 14 des beweglichen Kontaktstückes
11 fließt.
[0020] Die beiden Kontaktstücke 10 und 11 sind identisch aufgebaut und im eingebauten Zustand
so einander zugeordnet, daß die beiden Schlitze 23 parallel zueinander verlaufen.
Dadurch wird ein axial verlaufendes Magnetfeld B
Z erzeugt, wodurch der Lichtbogen 31 eine diffuse Form erhält.
[0021] Die Ringe 21 dienen zur Verstärkung des Magnetfeldes.
[0022] Diese Geometrie hat die Vorteile, daß hohe axiale Magnetfelder erzeugt werden, die
es ermöglichen, mit der Vakuumschaltkammer hohe Kurzschlußströme zu unterbrechen.
[0023] Die Fig. 5a und 5b zeigen den Verlauf des axialen Magnetfeldes B
z5 über dem Radius R, wie es bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform entsteht. Links
und rechts einer mittleren Symmetrielinie S-S entstehen Magnetfeldverläufe B
z5l und B
z5r, nach oben bzw. unten, also in entgegengesetze Richtungen, die gemäß der Fig. 5b
je etwa eine elliptische Form beidseitig der Symmetrielinie erzeugen; der Bereich
F
5r und F
5l innerhalb der elliptischen Formen ist die effektive Nutzfläche, in der der diffuse
Lichtbogen brennt. Der Bereich zwischen den Nutzflächen F
5r und F
5l, in dem das Magnetfeld einen Nulldurchgang besitzt, ist sehr schmal ausgebildet.
Bezogen auf die gesamte Fläche der Kontaktelektrode nimmt die effektive Nutzfläche
daher mehr als 75 % der gesamten Kontaktoberfläche ein.
1. Kontaktanordnung für eine Vakuumschaltkammer, mit einem festen und einem beweglichen
Kontaktstück, welche einen Kontaktträger aus elektrisch gut leitendem Material, z.
B. Kupfer, und eine dem anderem Kontaktstück zugewandte Kontaktplatte aus abbrandfestem
Material, z. B. Cu-Cr, aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kontaktträger (14) einen zylindrischen Abschnitt und einen am kontaktstückseitigen
Ende angeordneten kreisringförmigen Abschnitt (15, 15a, 15b) aufweist, daß der zylindrische
Abschnitt (14) mit dem kreisringförmigen Abschnitt (15, 15a, 15b) mittels zweier miteinander
fluchtender radialer Stege (16, 17) verbunden ist und daß der zylindrische Abschnitt
(14) im Bereich der Stege mittels eines schräg verlaufenden Schlitzes (23) geteilt
ist, so daß der Strom über einen der Stege dem kreisringförmigen Abschnitt und von
diesem zu einem die Stege in Einschaltrichtung überragenden Vorsprung, auf dem die
Kontaktplatte (19) befestigt ist, fließt.
2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Kontaktplatte
(19) ein Ring (21) aus elektrisch schlechter leitendem Material, z. B. Fe oder eine
Fe-Legierung, angebracht ist.
3. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Ring (21) bzw. der Kontaktplatte (19) ein Stützelement (22) zugeordnet ist und die
Kontaktdruckkraft von der Kontaktplatte (19) auf den zylindrischen Abschnitt (13)
überträgt, so daß ein Zusammendrücken des Schlitzes (23) verhindert ist.
4. Kontaktanordnung für einen Vakuumschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei Kontaktstücke (10, 11) einander gegenüber angeordnet sind
und daß die Schlitze (23) der beiden sich gegenüberliegenden Kontaktstücke (10, 11)
etwa parallel verlaufen.