DE4002933C2

DE4002933C2 -

Info

Publication number: DE4002933C2
Application number: DE4002933A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing. 8411 Laaber De Schels; Manfred Dipl.-Ing. 8400 Regensburg De Niegl
Original assignee: AEG Sachsenwerk GmbH
Current assignee: Schneider Electric Sachsenwerk GmbH
Priority date: 1990-02-01
Filing date: 1990-02-01
Publication date: 1993-01-28
Also published as: US5099093A; GB2240660A; DE4002933A1; GB9102240D0; JPH04349320A; GB2240660B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltkammer gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Eine bekannte Vakuumschaltkammer dieser Art (DE-OS 32 27 482) weist zwei untereinander gleich ausgebildete Schaltkontakte auf, die je an einer Stirnseite von achsengleichen Kontaktbolzen angeordnet sind und sich gegenüberstehen. Die Schaltkontakte bestehen dabei aus je einem topfförmigen Windungskörper, auf dessen offene Stirnseite ein insgesamt kreisplatten- oder kreisringplattenförmiges Kontaktelement aufgesetzt ist. Im geschlossenen Zustand der Schaltkontakte liegen die Kontaktelemente plan aneinander, wobei sie am Außenumfang nach Art einer Stufe in der Höhe abgesetzt sind. Die Topfwandung des Windungskörpers ist zur Bildung von Windungsleitern zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes von mehreren die Topfwandung durchsetzenden Schlitzen durchzogen, die auch durch den Topfboden geführt sind. Die Schlitze weisen gegenüber der Achse der Kontaktbolzen eine beachtliche Neigung auf und sind symmetrisch über den Umfang des Windungskörpers verteilt. Innerhalb des Hohlraumes befindet sich im Windungskörper zwischen dem Boden und dem Kontaktelement ein konzentrischer Stützring, der im achsnahen Bereich des Kontaktelements angeordnet ist. Das Kontaktelement besitzt radiale Schlitze, die sich in zugehörigen Schlitzen der Topfwandung fortsetzen.

Alternativ dazu ist vorgeschlagen, die Schlitze bis zu einer mittigen Ausnehmung im Kontaktelement gehen zu lassen, wodurch das Kontaktelement in kreisringsektorartige Flächen aufgelöst wird.

Es ist auch ein Vakuumschalter bekannt (DE 34 07 088 A1), dessen Schaltkontakte bei Durchmessern zwischen 60 und 150 mm Schlitz-Zahlen zwischen 2 und 12 aufweisen können, wobei der über den Umfang gemessene Drehwinkel dieser Schlitze jeweils zwischen 45 Grad und 200 Grad liegen kann. Der Neigungswinkel dieser Schlitze ist abhängig vom Abstand, welchen die von der Schnittebene des Schlitzes mit der Stirnfläche der Oberseite der Topfwandung gebildete Schnittgerade von der Topfachse hat, sowie vom Durchmesser und der Höhe der Topfwandung. Diese geschlitzte Topfwandung bildet einen Windungskörper, auf dessen offene Stirnseite eine volle Kreisscheibe als Kontaktelement aufgesetzt ist. Die Schlitze der Topfwandung setzen sich in radialer Richtung von außen nach innen im Kontaktelement fort, jedoch ist der Boden des topfförmigen Windungskörpers ungeschlitzt. Im Hohlraum zwischen dem Boden und dem Kontaktelement steht zentrisch ein rotationssymmetrischer voller Stützkörper, der im Querschnitt doppelt-T-förmig ausgebildet ist und auf dem Boden wie an der Unterseite des Kontaktelements anliegt und dieselben im Zentrum überdeckt. Bei diesem, für die Erzeugung eines axialen Magnetfeldes vorgesehenen Aufbau der beiden gleichartig ausgebildeten Schaltkontakte muß aufgrund der hierbei erzeugten magnetischen Induktion das jeweilige Kontaktelement als volle Kreisscheibe ausgebildet sein, um zu verhindern, daß der Lichtbogen beim Schaltvorgang in den topfförmigen Kontaktkörper hinein überspringt und auf dessen Boden brennt.

Bei Vakuumschaltern mit Schaltkontakten zur Erzeugung von axialen Magnetfeldern ist es zudem bekannt (DE 32 45 609 A1, DE 24 43 141 B2, DE 34 22 949 A1), die vollen scheibenförmigen Kontaktelemente radial oder sekantial von außen nach innen zu schlitzen, wobei das Zentrum dieser Scheiben jeweils eine geschlossene, ungeschlitzte Fläche bildet. Der Durchmesser der Kontaktelemente entspricht dabei derjenigen des Windungskörpers.

Daneben ist es bei einer Vakuumschaltkammer mit Schaltkontakten zur Erzeugung eines radialen Magnetfeldes bekannt (DE 37 24 425 C2), bei welcher die den Betriebsstrom führenden Kontaktelemente von einer davon über einen Spalt getrennten Lichtbogenelektrode am Außenumfang umschlossen sind. Der jeweilige, das Kontaktelement und die zugehörige Lichtbogenelektrode tragende topfförmige Kontaktkörper ist mehrfach radial von außen nach innen geschlitzt, wobei die Schlitze über mehr als den halben Radius und bis in den Topfboden reichen. Durch diesen Aufbau wirkt auf einen konzentrierten stromstarken Lichtbogen am Entstehungsort eine große Kraft, die ihn zum raschen Übergang vom Kontaktelement nach außen auf die Lichtbogenelektrode zwingt. Diese Wirkung wird durch die sektorartige Unterteilung des Kontaktkörpers bei relativ großer Anzahl der sektorartigen, durch die Schlitze erzeugten Flächen erreicht.

Schließlich ist es bei Vakuumschaltern bekannt (DE 34 06 535 C2), die Kontaktelemente aus einem Sintermetall herzustellen, das aus einer Mischung aus 30 bis 80 Gewichtsprozenten Chrom-Pulver und Kupfer-Pulver als Rest hergestellt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumschaltkammer der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine hohe Rückzündsicherheit beim Ausschalten eines hohen Kurzschlußstromes bei einem hohen Kurzschlußwechselstromwert erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs.

Bei einer Ausgestaltung einer Vakuumschaltkammer gemäß der Erfindung wird ein Abschnitt nur um die Schlitzbreite weniger als 90 Grad Umfang eines jeden Windungsleiters unmittelbar jeweils an die Rückseite eines Kreisringsektors des Kontaktelements im Bereich von dessen Außendurchmesser herangeführt und mit diesem leitend verbunden. Dieses dient einer möglichst hohen axialen magnetischen Flußdichte bis zu Durchmessern möglichst nahe dem Außendurchmesser des Kontaktelements. Dabei kann bei einem Außendurchmesser von 100 mm der Kurzschlußstrom mindestens 40 KA und die Nennspannung wenigstens 36 KV betragen. Trotzdem hat es sich in Messungen des Magnetfeldes der Schaltkontakte gezeigt, daß während des Brennvorganges des Schaltlichtbogens in den Kreisringsektoren der Kontaktelemente nur solche Stromfäden möglich sind, die von den Lichtbogenfußpunkten aus im wesentlichen radial zu den zugehörigen Windungsleiterabschnitt verlaufen. Hierzu tragen insbesondere die von innen nach außen geführten Spalteinschnitte bei, die nur bis an den Innendurchmesser des Windungsleiters reichen. Das beim Stromfluß über den Lichtbogen in den Windungsleitern erzeugte axiale Magnetfeld wird durch das Magnetfeld praktisch nicht beeinflußt, das durch die radialen Stromfäden in den Kreisringsektoren entsteht. Da andere Stromfadenrichtungen in den Kontaktelementen unterbunden sind, wird auch bei ungleichmäßiger Verteilung der Lichtbogenfußpunkte auf der Kontaktoberfläche das axiale Magnetfeld durch solche Stromfäden in der Kontaktplatte nicht geschwächt. Vielmehr erfährt das axiale Magnetfeld an Stellen der unsymmetrischen Zusammenballung von Lichtbogenfußpunkten auf dem jeweiligen Kontaktelement eine Verstärkung dadurch, daß die Windungsleiter, denen die Kreisringsektoren zugeordnet sind und auf denen die Fußpunktzusammenballung stattfindet, von einem entsprechend erhöhten Stromanteil durchflossen werden. Durch die zusätzlichen Spalteinschnitte treten in den Kreisringsegmenten praktisch nur noch Wirbelströme vernachlässigbarer Größe auf.

Die zur Bildung der Windungsleiter in den Schaltkontakten vorgesehenen Schlitze unterteilen auch den Topfboden des Windungskörpers, so daß auch dort schädliche Wirbelströme verhindert werden. Zudem können sich Zusammenballungen der Fußpunkte des Lichtbogens im Bereich der Kontaktachse nicht ausbilden, weil die Kreisringsektoren mit Abstand von der Kontaktachse bzw. der Achse der Kontaktbolzen enden.

Die Anordnung von vier Schlitzen im jeweiligen Schaltkontakt mit großer Neigung gegenüber der Achse der Kontaktbolzen erzeugt flache Windungsabschnitte mit großem axialen Anteil des Magnetfeldes. Dem stehen aus Wirbelströmen resultierenden Magnetfelder vernachlässigbarer Größe gegenüber. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß sich die Schlitze in der Topfwandung in Umfangsrichtung höchstens über einen Drehwinkel von 90 Grad erstrecken und sich danach unter dem gleichen Neigungswinkel durch den Topfboden fortsetzen. Zusätzlich ist bei den Schaltkontakten zwischen dem Kontaktelement und dem Topfboden noch eng benachbart zum Innendurchmesser der Topfwandung ein Stützring aus elektrisch schlecht leitendem CrNi-Stahl und dünner Wandstärke angeordnet, der die beim Zusammenpressen der Kontaktelemente auftretenden Stoßkräfte von den Spulenwindungsabschnitten fernhält. Durch dessen Nähe zu den Windungsleitern wird der Effekt der Überbrückung der Windungsleiter minimiert.

Die Kreisringsektoren können im Bereich des äußeren Durchmessers untereinander durch vorzugsweise einen Steg geringen Querschnitts verbunden sein. Dadurch wird das Löten auf den Windungskörper vereinfacht.

Um den Stützring in einfacher Weise festsetzen zu können, wird er an der offenen Topfseite radial mit der inneren Topfwand des Windungskörpers verlötet. Hierzu weist er an seinem den Kontaktsektoren zugewandten Randbereich einen radial nach außen gerichteten Lötbund auf.

Andere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer aufgeschnittenen Vakuumschaltkammer mit Schaltkontakten,

Fig. 2 einen Schaltkontakt im Seitenschnitt,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Schaltkontakts,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Windungskörpers eines Schaltkontakts und

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Windungskörpers gemäß Fig. 4.

Eine Vakuumschaltkammer weist innerhalb eines evakuierten Gehäuses 1 zwei stirnseitig sich gegenüberstehende Schaltkontakte 2 auf, die an ihren einander zuweisenden Stirnseiten mit Kontaktelementen belegt sind. Die Schaltkontakte 2 sitzen auf den aufeinander zuweisenden Stirnseiten von achsengleichen Kontaktbolzen 4, von welchen wenigstens einer axial bewegbar gehalten ist. Die Schaltkontakte 2 weisen neben den Kontaktelementen 3 einen topfförmigen Windungskörper 5 auf, auf dessen offene Stirnseite die Kontaktelemente 3 aufgesetzt sind. Die den Mantel bildenden Topfwandungen der Windungskörpers 5 sind durch vier Schlitze 6 in vier Windungsleiter 7 unterteilt. Dabei entsteht der mittlere Abschnitt der Schlitze 6 durch ebene Schnitte durch die Topfwandung, die um einen Winkel zwischen 60° und 75° gegenüber der bei 8 angedeuteten Achse der Kontaktbolzen geneigt sind. Die Mittelfläche dieser Schnitte im Bereich der Topfwand, also zwischen Topfbodenfläche 9 und der Kante 50, mit der dieser mittlere Abschnitt des Schlitzes 6 in den Schlitzabschnitt übergeht, dessen Ebene die Kontaktachse enthält, überstreicht in Umfangsrichtung einen Drehwinkel zwischen 60° und 90°.

Die Kontaktelemente 3 bestehen jeweils aus vier Kreisringsektoren 10, die jeweils einem Windungsleiter 7 zugeordnet sind und sich über dessen Umfangsabschnitt auf der offenen Seite des Windungskörpers erstrecken. Der radiale Abstand der Innenkanten der Kreisringsektoren 10 von der Achse 8 ist dabei mindestens 35% des Außenradius des Windungskörpers 5. Jeder Kreisringsektor 10 weist wenigstens einen, vorliegend zwei radial von innen nach außen gerichtete Spalteinschnitte 11 auf, die bis an den Innendurchmesser, vorzugsweise sogar noch geringfügig bis in den Bereich des betreffenden Windungsleiters 7 reichen.

Die Schlitze 6 erstrecken sich einerseits auch durch den Topfboden 51 und sind radial tiefer eingeschnitten, als die radiale Wandstärke der Spulenwindungsabschnitte mißt. Die Einschnittiefe der Schlitze 6 im Topfboden 51 vom Außendurchmesser des Windungskörpers 5 aus beträgt dabei etwa 40% des Durchmessers des Windungskörpers 5. Der Bildung von störenden Wirbelströmen wird dadurch entgegengewirkt. Im Bereich der Kreisringsektoren 10 verlaufen die Schlitze 6 zwischen benachbarten Kreisringsektoren 10 in einer die Achse 8 der Kontaktbolzen 4 aufnehmenden Ebene.

Im Hohlraum zwischen dem Kreisringsegmenten 10 und dem Topfboden 51 befindet sich ein konzentrisch zur Achse 8 angeordneter Stützring 12, der auf dem Topfboden 5 aufsitzt und andererseits die Windungsleiterabschnitte in der Nähe der offenen Topfseite unterstützt. Dabei sind die Kreisringsektoren 10 am Außenumfang nach Art einer Stufe 13 in der Höhe zum Windungskörper hin abgesetzt, während sie von einem planen mittleren Abschnitt aus radial nach innen abgeschrägt sind. Diese thorusflächige Ausbildung der achszugewandten Flächenteile 15 dient der gleichmäßigen Lichtbogenfußpunktverteilung auf der Kontaktfläche. Andererseits bewirkt die radial nach außen weisende Stufe 13 eine Eingrenzung des Betriebsstrom-Kontaktübergangsbereichs und damit des Bereichs des Kontaktelements, auf dem unmittelbar nach der galvanischen Trennung der Kontakte die ersten Schaltlichtbogenfußpunkte entstehen, auf einen Durchmesserbereich mit hoher axialer magnetischer Flußdichte. Der Stützkörper 12 steht somit im mittleren Teil unter dem planen Abschnitt der Kreisringsektoren 10, auf welche die beim Schließen der Kontakte 2 einwirkenden Kräfte auftreffen. Diese Kräfte werden somit unmittelbar auf den Topfboden 51 übertragen und können nicht zur Verengung der Schlitze 6 oder zu mechanischen Schwingungen im Windungskörper führen. Zudem stellt der Stützring 12 durch seine Nachbarschaft zu den gut leitenden Windungsleitern 7 keinen beachtlichen Nebenschlußweg für Quer- oder Wirbelströme dar. Zur einfachen Befestigung des Stützringes 12 dient ein Lötbund 14, der am Stützkörper 12 an seinem dem Windungskörper zugewandten Randbereich radial nach außen angeformt ist. Hierüber wird der Stützring durch Lötung ebenso festgesetzt, wie am Topfboden 51. Die Schlitze 6 in den Kontaktelementen 3 der beiden Schaltkontakte 2 können deckungsgleich zueinander in der Vakuumschaltkammer angeordnet sein. Sie können auch eine andere Drehwinkellage um die Achse 8 zueinander einnehmen; vorzugsweise ist die Drehwinkellage 45° gegeneinander verdreht.

Die Kreisringsektoren 10 bestehen im übrigen aus einem Sintermetall mit bis zu 75 Anteilen Kupfer und 25 Anteilen Chrom nach der DE-PS 34 06 535.

Eine Vakuumschaltkammer gemäß den vorstehenden Ausführungen hat bei einem maximalen Kontaktabstand von 20 mm und einem Schaltkontakt Außendurchmesser von 98 mm für einen Kurzschlußstrom mit einem Kurzschlußwechselstromwert von 40 KA bei einer Nennspannung von 36 KV bzw. einem Kurzschlußwechselstromwert von 50 KA bei einer Nennspannung von 24 KV und 50 Hz die gemäß den einschlägigen Vorschriften bestehenden Forderungen hinsichtlich des Schaltvermögens bei hoher Rückzündsicherheit. Die radiale Breite der Windungsleiter 7 beträgt etwa ein Zehntel des Durchmessers des Windungskörpers 5, während die Wandstärke des Stützringes 12 etwa ein Viertel der eines Windungsleiters 7 aufweist.

Claims

1. Vakuumschaltkammer

- mit zwei gleichen, sich gegenüberstehenden Schaltkontakten (2), die an aufeinander zuweisenden Stirnseiten von achsengleichen Kontaktbolzen (4) angeordnet sind und je einen topfförmigen Windungskörper (5) aufweisen, auf dessen offene Stirnseite ein ringförmiges Kontaktelement (3) aufgesetzt ist und dessen Topfwandung zur Bildung von Windungsleitern (7) von mehreren durchgehenden und durch den Topfboden geführten sowie gegenüber der Achse der Kontaktbolzen (4) geneigten, gleichmäßig am Umfang verteilten Schlitzen (6) durchsetzt ist, deren in der Topfwand befindlicher Abschnitt durch ebene Schnitte durch die Topfwandung gebildet ist,
- sowie mit einem konzentrischen Stützring (12) im Hohlraum zwischen dem Boden des Windungskörpers und dem Kontaktelement (3),
- wobei das Kontaktelement (3) aus Kreisringsektoren (10) besteht, von welchen je einer in Umfangsrichtung über den Abschnitt des Windungsleiters (7) zwischen zwei Schlitzen (6) reicht und
- wobei die radiale Wandstärke eines Windungsleiters (7) etwa 10% des Außendurchmessers des Windungskörpers ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß vier Schlitze (6) vorgesehen sind,
- daß die in der Topfwand befindlichen Abschnitte der Schlitze (6) um einen Winkel zwischen 60 Grad und 75 Grad gegenüber der Achse der Kontaktbolzen (4) geneigt sind,
- daß die Fläche dieser Schnitte (6) im Bereich der Topfwandung in Umfangsrichtung einen Drehwinkel zwischen 60 Grad und 90 Grad überstreicht und
- daß jeder Kreisringsektor (10) wenigstens einen radial von innen nach außen gerichteten Spalteinschnitt (11) aufweist, der nur bis an den Bereich des Innendurchmessers der Topfwandung des Windungskörpers (5) reicht.

2. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen benachbarten Kreisringsektoren (10) verlaufende Teil des Schlitzes (6) in einer die Achse (8) der Kontaktbolzen (4) aufnehmenden Ebene verläuft.

3. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der in der Ebene der Achse (8) der Kontaktbolzen (4) verlaufende Teil des Schlitzes (6) in die den Kreisringsektoren (10) benachbarte Stirnfläche des Windungskörpers (5) erstreckt.

4. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (12) an seinem den Kreisringsektoren (10) zugewandten Randbereich einen radial nach außen in Richtung auf die Windungsabschnitte gerichteten Lötbund (14) geringer radialer und axialer Höhe aufweist, mit dem die Windungsabschnitte verlötet sind.

5. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenradius der Kreisringsektoren (10) kleiner als der Außenradius des Windungskörpers (5) ist und daß in die Stirnfläche des Windungskörpers (5) eine umlaufende Ringvertiefung eingeformt ist, die flacher als die axiale Höhe der Kreisringsektoren (10) ist und in welcher die Kreisringsektoren (10) festgelegt sind.

6. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Kreisringsektoren (10) im Bereich deren Außendurchmesser über Stege geringer Querschnittsabmessungen miteinander verbunden sind.

7. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Einschnittiefe der Schlitze (6) im Boden (51) etwa 40% des Durchmessers des Windungskörpers (5) beträgt.

8. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (6) zwischen den Kreisringsektoren (10) der beiden Schaltkontakte (2) um 45 Winkelgrade gegeneinander verdreht sind.

9. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kreisringsektor (10) zwei radial von innen nach außen verlaufende Spalteinschnitte (11) aufweist.

10. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisringsektoren (10) aus einem Sintermetall bestehen, das etwa 75 Anteile Kupfer und etwa 25 Anteile Chrom aufweist.

11. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisringsektoren (10) am Außenumfang nach Art einer Stufe (13) in der Höhe abgesetzt sind und am radial innenliegenden Bereich (15) torusflächenförmig abgeschrägt sind.