DE19802893A1 - Vakuumschaltkammer mit ringförmigem Isolator - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauele­ mente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung von Vakuum­ schaltkammern anzuwenden, deren Gehäuse zwei kappenartige Me­ tallteile und einen ringförmigen Isolator aufweist und demzu­ folge für Schaltzwecke im Niederspannungsbereich vorgesehen sind.

Bei einer bekannten Vakuumschaltkammer dieser Art sind die beiden kappenartigen, aus Kupfer bestehenden Metallteile, von denen das eine den eigentlichen Schaltraum für das festste­ hende und das axial bewegbare Kontaktstück bildet, am Ende des rohrförmigen Wandbereiches jeweils mittels einer Schnei­ denlötung mit dem ringförmigen Isolator vakuumdicht verbun­ den. Um mit dieser bekannten Vakuumschaltkammer bei möglichst kleinen axialen und radialen Abmessungen Kurzschlußströme im Bereich von 50 bis 100 kA sicher schalten zu können, ist der Faltenbalg mit seinem einen Ende in unmittelbarer Nähe zum bewegbaren Kontaktstück an des sen Kontaktbolzen angelötet und wird vom ringförmigen Isolator konzentrisch umgeben; ein kap­ penförmiger Schutzschild am Boden des bewegbaren Kontaktstüc­ kes schützt dabei den Faltenbalg gegen elektrische Belastun­ gen. - Diese Schaltröhre weist keine besondere Abschirmung zum Schutz der vom ringförmigen Isolator gebildeten inneren Isolierstrecke auf, da eine relativ breit ausgebildete Stirn­ fläche des ringförmigen Isolators dem Kontaktbereich abge­ wandt ist. - Die Stromanschlüsse dieser bekannten Vakuum­ schaltkammer sind - wie üblich - als Bolzen ausgeführt, die durch das jeweilige kappenartige Metallteil axial hindurchge­ führt sind. - Die beiden Kontaktstücke sind im übrigen als Topfkontakte ausgeführt; doch kommen auch andere bekannte Kontaktformen in Betracht (DE 44 22 316 A1). - Eine andere bekannte Kontaktform bieten beispielsweise sogenannte Spiral­ kontakte (engl. spiral petal contacts) mit insbesondere fla­ chen, plattenartigen Kontaktelektroden, die mit vom äußerem Umfang nach innen verlaufenden Schlitzen versehen sind. Diese Schlitze können jeweils aus einem geradlinigen Abschnitt und einer die Kontakt fläche durchbrechenden Bohrung bestehen (EP 0 532 513 B1).

Als Schaltelement für Niederspannungsschütze sind bereits Va­ kuumschaltröhren bekannt, bei denen der Faltenbalg einen Teil der äußeren Ober fläche des Gehäuses bildet und hierbei einer­ seits mit dem Stromanschluß des bewegbaren Kontaktbolzens und andererseits stirnseitig mit einem kurzen rohrförmigen Isola­ tor vakuumdicht verlötet ist (DE 37 09 585 C2). Der Falten­ balg kann dabei sowohl mit dem Isolator als auch mit dem Stromanschluß des bewegbaren Kontaktbolzens durch eine Schneidenlötung verbunden sein (DE 195 10 850 C1).

Es ist im übrigen bei Vakuumschaltröhren für Mittelspannungs­ zwecke bekannt, den die Schaltstrecke umgebenden Schirm mit einer Einlage aus dem gleichen Material (CrCu-Legierung) zu versehen, aus dem die Kontaktelektroden bestehen (US 4,553,007 A). - Für den Nebenschlußbetrieb von Gleich­ stromelektrolysezellen sind weiterhin Vakuumschalter bekannt, die bei einer Schaltspannung von etwa 4 Volt einen Strom von etwa 4 000 A zu schalten haben und bei denen die zylindri­ schen Kontakte mit planaren leitenden Endplatten versehen sind, um eine elektrische Verbindung des Schalters mit elek­ trischen Anschlußschienen zu ermöglichen (DE 29 44 286 A).

Ausgehend von einer Vakuumschaltkammer mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 (DE 44 22 316 A1) liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Bauform der bekannten Vakuumschaltkammer weiter zu verkleinern und dabei gleichzei­ tig das Schaltvermögen zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Stromanschlüsse der beiden Kontaktstücke als Platten ausgebildet sind, die jeweils den Bodenbereich eines der bei­ den kappenartigen Metallteile bilden, daß weiterhin der Fal­ tenbalg den Wandbereich desjenigen kappenartigen Metallteiles bildet, das dem beweglichen Kontaktstück zugeordnet ist, und daß schließlich ein rohrförmiges Teil, das stirnseitig mit dem plattenartigen Stromanschluß des feststehenden Kontakt­ stückes verlötet ist, den Wandbereich des anderen kappenarti­ gen Metallteiles bildet.

Eine derartige Ausgestaltung der Vakuumschaltkammer führt zu einer flachen Bauform mit im Vergleich zu herkömmlichen Vaku­ umschaltröhren deutlich verringerter Baulänge. Hierzu trägt vor allem die Ausgestaltung der Stromanschlüsse in Form von Platten anstelle von bisher üblichen zylindrischen Bolzen bei, wobei diese Platten zugleich die stirnseitigen Deckel der an sich zylindrischen Schaltkammer bildeten. - Die flache Bauform der neuen Vakuumschaltkammer kann noch deutlicher hervortreten, wenn man die Kontaktstücke als Spiralkontakte, insbesondere als flache Spiralkontakte, ausbildet. Die Ver­ wendung von Spiralkontakten führt außerdem zu einer besseren Lichtbogenführung, woraus ein besseres Schaltvermögen resul­ tiert. So können bei Verwendung von flachen Spiralkontakten mit einem Durchmesser von etwa 90 mm Kurzschlußströme bis zu etwa 130 kA geschaltet werden. - Unabhängig vom Durchmesser der Spiralkontakte empfiehlt es sich, zwischen dem bewegbaren Kontaktstück und dem zugehörigen Stromführungsbolzen eine scheibenförmige Dampfsperre anzuordnen, die beispielsweise aus einem Chrom-Nickel-Stahl besteht und die bei Vakuum­ schaltkammern mit kleinem Schaltvermögen gegebenenfalls zur mechanischen Verstärkung des in seiner Dicke reduzierten be­ wegbaren Spiralkontaktes herangezogen werden kann.

Die neuartige Ausgestaltung der Vakuumschaltkammer ermöglicht auch eine unmittelbare Anbindung des feststehenden Kontakt­ stückes an den zugehörigen plattenartigen Stromanschluß sowie für das bewegbare Kontaktstück die Verwendung eines Anschluß­ bolzens mit großem Durchmesser, wodurch eine optimale Wärme­ ableitung gewährleistet ist. Die insgesamt kompakte Bauform erübrigt eine spezielle Führung des Anschlußbolzens für das bewegbare Kontaktstück, wie es bisher bei Vakuumschaltröhren für Leistungsschalter unter Verwendung einer Kunststoffbuchse üblich ist. Dadurch ist eine höhere thermische Belastung der Vakuumschaltkammer möglich.

Der neuartige Aufbau der Vakuumschaltkammer ermöglicht es weiterhin, alle Einzelteile - ausgenommen den ringförmigen Isolator - selbstzentrierend zu konstruieren, so daß alle Einzelteile in einem einzigen Arbeitsgang (Verschlußlötung) ohne Verwendung teurer und aufwendiger Lötformen miteinander verlötet werden können. Hierzu empfiehlt es sich, daß das feststehende Kontaktstück über einen kurzen Zentrierstutzen mit dem plattenartigen Stromanschluß verbunden ist und daß das bewegbare Kontaktstück über einen Kontaktbolzen mit dem zugehörigen plattenartigen Stromanschluß zentriert verbunden ist.

Die Form des die beiden Kontaktstücke, insbesondere flache Spiralkontakte umgebenden rohrförmigen Teiles hängt von dem jeweils vorgesehenen Schaltvermögen ab. Bei geringem Schalt­ vermögen von etwa 40 bis 60 kA kann dieses Teil als Hohlzy­ linder ausgebildet sein. Bei größerem Schaltvermögen, d. h. bei größeren Kontaktdurchmessern, empfiehlt es sich, daß das rohrförmige Teil an dem dem ringförmigen Isolator zugewandten Ende mit einer kegeligen Verjüngung versehen ist; dies ermög­ licht die Verwendung eines Isolators und eines Faltenbalges mit deutlich geringerem Durchmesser als dem der Spiralkontak­ te. - Unabhängig von der Formgebung des vorzugsweise aus Kup­ fer bestehenden rohrförmigen Teiles empfiehlt es sich, dieses auf der Innenwand im Bereich der Schaltstrecke mit einer lichtbogenfesten Auskleidung zu versehen, beispielsweise durch Verwendung von Blechteilen aus einem Chrom-Kupfer- Verbundwerkstoff oder durch eine galvanische Beschichtung mit Chrom.

Zwei Ausführungsbeispiele der neuen Schaltkammer sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Schaltkammer mit einem als Hohlzylinder aus­ gebildeten rohrförmigen Teil,

Fig. 2 eine Vakuumschaltkammer mit einem teilweise kege­ lig verjüngten rohrförmigen Teil und

Fig. 3 einen plattenartigen Stromanschluß in Draufsicht.

Bei der Vakuumschaltkammer gemäß Fig. 1 besteht das Gehäuse aus einer als Stromanschluß fungierenden oberen metallenen Platte 1 aus Kupfer, einem daran stumpf angelöteten hohlzy­ lindrischen Wandteil 3 aus Kupfer, einem ringförmigen Isola­ tor 4, einem koaxial zum ringförmigen Isolator 4 angeordneten Faltenbalg 5 und einer unteren, ebenfalls als Stromanschluß ausgebildeten metallenen Platte 2 aus Kupfer. Dabei ist der ringförmige Isolator gleichartig wie der Isolator gemäß DE 44 22 316 A1, d. h. annähernd quadratisch im Querschnitt sowie mit einer Abschrägung und einer Hinterschneidung, aus­ gebildet. Innerhalb des Gehäuses sind ein feststehender fla­ cher Spiralkontakt 6 und ein bewegbarer, flacher Spiralkon­ takt 7 angeordnet. Der Spiralkontakt 6 ist über einen kurzen Zentrierstutzen 61, der in eine Zentrierbohrung im Spiralkon­ takt eingreift, mit der Platte 1 verbunden. Der Spiralkontakt 7 sitzt auf einem zentrierenden, eine Verengung des Strom­ flusses bewirkenden Ansatz 81 eines Stromzuführungsbolzens 8 auf. Dieser ist an seinem anderen Ende mittels eines Zen­ trieransatzes 82 in die als Stromanschluß fungierende Platte 2 eingesetzt. - Zwischen dem bewegbaren Spiralkontakt 7 und dem Stromzuführungsbolzen 8 ist noch eine Dampfsperre 9 in Form einer flachen Scheibe aus einem mechanisch festen Mate­ rial wie beispielsweise Chrom-Nickel-Stahl angeordnet. Diese Dampfsperre 9 dient der Abschattung des ringförmigen Isola­ tors 4 gegenüber beim Schaltvorgang freigesetzten Metallpar­ tikeln der Spiralkontakte 6 und 7.

Der Aufbau der Vakuumschaltkammer gemäß Fig. 1 ist so ge­ wählt, daß alle Einzelteile im Rahmen eines einzigen Lötvor­ ganges miteinander verlötet werden können. Die hierzu erfor­ derlichen Entgasungsspalte können mit aus dem Stand der Tech­ nik bekannten Mitteln im Fügebereich zwischen dem ringförmi­ gen Isolator 4 und dem hohlzylindrischen Wandteil 3 vorgese­ hen werden.

Die Vakuumschaltkammer gemäß Fig. 2 entspricht mit der Zu­ ordnung der beiden als Stromanschlüsse fungierenden Platten 11 und 12, dem ringförmigen Isolator 14 und dem Faltenbalg 15 sowie der Anordnung des feststehenden Spiralkontaktes 16 und des bewegbaren Spiralkontaktes 17 sowie des Stromzuführungs­ bolzens 18 mit dem Zentrieransatz 181 und der Dampfsperre 19 im wesentlichen dem Aufbau der Vakuumschaltkammer gemäß Fig. 1. Die Vakuumschaltkammer gemäß Fig. 2 ist jedoch für höch­ ste Schaltleistungen vorgesehen und weist daher flache Spi­ ralkontakte 16 und 17 mit relativ großem Durchmesser auf. Hieran angepaßt ist die Form des rohrförmigen Wandteiles 13, das den eigentlichen Schaltraum radial begrenzt. Das rohrför­ mige Wandteil 13 weist hierzu auf der Höhe der Spiralkontakte 16 und 17 einen zylindrischen Wandbereich 131 auf und geht dann über eine kegelige Verengung 132 in einen zylindrischen Ansatz 133 über, über den das Wandteil 13 nach Art einer Schneidenlötung mit dem ringförmigen Isolator 14 verlötet ist. - Das rohrförmige Wandteil 13 ist außerdem im zylindri­ schen Bereich 131 mit einer lichtbogenfesten Einlage 20 ver­ sehen, die den zylindrischen Bereich 131 gegen Durchbrennen schützt. - Da bei dieser Ausgestaltung der Vakuumschaltkammer der ringförmige Isolator 14 durch die Dampfsperre 19 und die kegelige Verengung 132 des rohrförmigen Wandteils 13 ausrei­ chend gegen Ablagerungen von Metalldampfpartikeln geschützt ist, ist der ringförmige Isolator abweichend von der Ausfüh­ rungsform des in Fig. 1 verwendeten Isolators 4 im Quer­ schnitt rechteckförmig ausgebildet.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die als Stromanschluß fun­ gierende Platte 12 der Vakuumschaltkammer gemäß Fig. 2. Durch eine rechteckförmige bzw. quadratische Formgebung der Platte 12 und auch der oberen Platte 11 bleibt genügend Raum für Bohrungen 21, die zur Befestigung der Stromanschlüsse an entsprechenden Teilen eines zugehörigen Schaltgerätes dienen.

Claims (10)

1. Vakuumschaltkammer mit einem feststehenden und einem dazu axial bewegbaren Kontaktstück und mit einem aus zwei kappen­ artigen Metallteilen und einem ringförmigen Isolator sowie einem Faltenbalg bestehenden Gehäuse, wobei jedem Kontaktstück ein Stromanschluß zugeordnet ist, die bei­ den kappenartigen Metallteile mit dem ringförmigen Isolator verbunden sind und das eine kappenartige Metallteil sowohl das feststehende als auch das bewegliche Kontaktstück um­ schließt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromanschlüsse der beiden Kontaktstücke (6, 7) als Platten (1, 2) ausgebildet sind, die jeweils den Bodenbereich eines der beiden kappenartigen Metallteile bilden,
daß der Faltenbalg (5) den Wandbereich desjenigen kappenarti­ gen Metallteiles bildet, das dem beweglichen Kontaktstück (7) zugeordnet ist,
und daß ein rohrförmiges Teil (3), das stirnseitig mit dem plattenartigen Stromanschluß (1) des feststehenden Kontakt­ stückes (6) verlötet ist, den Wandbereich des anderen kappen­ artigen Metallteiles bildet.

2. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke als Spiralkontakte (6, 7) ausgebildet sind.

3. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralkontakte (6, 7) flach ausgebildet sind.

4. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende Kontaktstück (6) über einen kurzen Zen­ trierstutzen (61) mit dem plattenartigen Stromanschluß (1) verbunden ist.

5. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Kontaktstück (7) über einen Kontaktbolzen (8) mit dem plattenartigen Stromanschluß zentriert (82) ver­ bunden ist.

6. Vakuumschaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil (13) an dem dem ringförmigen Isola­ tor (14) zugewandten Ende mit einer kegeligen Verjüngung (132) versehen ist.

7. Vakuumschaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil (13) mit einer lichtbogenfesten Aus­ kleidung (20) versehen ist.

8. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtbogenfeste Auskleidung (20) aus einem Chrom- Kupfer-Verbundwerkstoff besteht.

9. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Chrom-Kupfer-Verbundwerkstoff durch galvanisches Ab­ scheiden von Chrom auf einem Kupferteil gebildet ist.

10. Vakuumschaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem bewegbaren Kontaktstück (7) und dem zugehö­ rigen Stromzuführungsbolzen (8) eine scheibenförmige Dampf­ sperre (9) angeordnet ist.