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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Schutzunterbrechern für elektrische
Leistungsverteilungsschaltungen, insbesondere auf Schaltungen mit
hoher Leistung. Die Erfindung sieht eine Konfiguration für die Kontakte
vor, die sich mechanisch in einem Vakuum trennen, um hohe Ströme zu unterbrechen,
und zwar durch Ableitung des Lichtbogens, der sich zwischen den
Kontakten bildet.
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2. Stand der
Technik
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Vakuumunterbrecher
werden in Vorrichtungen verwendet, die elektrische Leistungsverteilungssysteme
vor Schäden
aufgrund von Kurzschlüssen schützen, und
zwar in Verteilungsverschlussvorrichtungen, plattierten Schaltvorrichtungen,
Hebelwechselvorrichtungen und anderen Formen von Kontaktvorrichtungen.
Ein herkömmlicher
Vakuumunterbrecher weist zwei gasfreie Metallkontakte mit hoher Reinheit
auf, die in einer evakuierten Umhüllung bei einem Gasdruck von
ungefähr
10-6 Torr aufgenommen sind. Die Kontakte
liegen mechanisch aneinander, typischerweise durch eine Federkraft
in einem externen Mechanismus, wenn sie Strom zwischen den zwei
Unterbrecherkontakten tragen. Ein Kontakt oder beide Kontakte sind
bewegbar, so dass die Kontakte mechanisch voneinander getrennt werden
können,
um die Schaltung zu unterbrechen, in der der Unterbrecher angekoppelt
ist. Gewöhnlicherweise
ist einer der Kontakte stationär,
und der andere ist bewegbar, wobei der bewegbare Kontakt Bellow-
bzw. Faltenbalgkontakt genannt wird.
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Ein
elektrischer Lichtbogen wird zwischen den Kontakten gezogen, wenn
die Kontakte getrennt werden, während
Strom fließt.
Obwohl ein Vakuumunterbrecher normalerweise einen sehr niedrigen inneren
Gasdruck hat, brennt der Bogen in dem Metalldampf ab, der von den
lokalen heißen
Punkten auf den Oberflächen
der Kontakte verdampft wird, wenn der Lichtbogen geworfen wird.
Ionisierter Metalldampf wandert kontinuierlich weg von der Region des
Lichtbogens und kondensiert oder plattiert auf verfügbaren Oberflächen, in
erster Linie auf den Kontaktflächen,
und typischerweise auf einer Metallabschirmung, die den Bereich
des Lichtbogens umgibt. Die Abschirmung wird so angeordnet, dass
sie die Innenseite eines Gehäuses
oder einer Umhüllung
vor einer Ablagerung von Metall vom Lichtbogen schützt. Das
Gehäuse
kann aus Keramik, Glas oder Ähnlichem
hergestellt sein und isoliert die Kontakte elektrisch voneinander,
wenn der Unterbrecher offen ist. Durch Schützen des Gehäuses vor
einer Metallablagerung verhindert die Abschirmung die Ablagerung von
Metall, welches einen elektrischen Pfad um das isolierende Gehäuse herum
erzeugen könnte,
oder reduziert diese Ablagerung.
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Während der
Schaltungsunterbrechung leitet das Trennen der Kontakte einen Spannungsabfall von
einigen zig bis einigen Hundert Volt über den geworfenen Vakuumlichtbogen
ein. Bei einer erfolgreichen Unterbrechung verringert sich die Metalldampfverdampfung
von den Kontaktflächen,
wenn der Lichtbogenstrom auf Null abfällt, und stoppt schließlich. Die
Umhüllung
kehrt dann schnell zu einem sehr niedrigen Druck zurück, wenn
der restliche Metalldampf abgelagert wird, wobei nicht mehr Metall
verdampft wird. Die dielektrische Stärke des Unterbrechers nimmt
zu, wenn die Anzahl der freien Metallionen in dem Bereich zwischen
den Kontakten abnimmt. Schließlich
wird die Schaltung unterbrochen. Die Schaltung bleibt unterbrochen,
solange die Kontakte oder Elektroden voneinander getrennt oder isoliert
bleiben, und zwar intern durch einen physischen Spalt durch ein
wesentliches Vakuum oder extern durch das isolierende Material der
Umhüllung,
welches die Elektroden trägt.
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Es
gibt eine Vielzahl von Zielen bei der Konstruktion von Vakuumunterbrechern.
Beispielsweise müssen
sie, wenn sie geschlossen sind, einen stetigen Nenn-Strom ohne übermäßige Widerstandsaufheizung
führen.
Wenn sie sich öffnen,
müssen
die Kontakte ausreichend Metalldampf erzeugen, um zu gestatten,
dass der geworfene Lichtbogen den Schaltungsstrom führt, während der
Strom sanft auf Null reduziert wird. Das Ziel ist, den Lichtbogen
eher zu managen als ihn zu eliminieren, weil eine zu schnelle Verringerung
des Stroms eine induktive Spannungswelle verursachen könnte, die
zu einem Schaden in dem assoziierten Verteilungssystem und/oder
in der mit der Schaltung gekoppelten Lastvorrichtung führt.
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Unter
der Annahme, dass der Lichtbogen bei einem Nulldurchgang der Wechselstromspannung ausgelöscht wird,
darf es nicht ausreichend Metalldampf in dem evakuierten Volumen
geben, um zu gestatten, dass der Lichtbogen im nächsten Halbzyklus des Wechselstroms
erneut zündet,
wenn die Wechselstromspannung über
die Kontakte zurück
läuft. Zusätzlich zu
diesen Anforderungen sind die Unterbrecherkontakte vorzugsweise
so konfiguriert, dass sie in einem weiten Bereich von Strömen unterbrechen,
und eine große
Anzahl von Betriebsvorgängen überleben
sollten, ohne zu versagen, insbesondere bei Schaltungsunterbrechern,
die als die üblichen Schaltmittel
zur Koppelung und Entkoppelung von Leistung mit Lasten verwendet
werden.
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Die
Metalldampfionen, die den elektrischen Lichtbogen führen, werden
durch elektromagnetische Kräfte
beeinflusst. Der Strom, der durch die offenen Kontakte fließt, erzeugt
ein elektromagnetisches Feld, das verursachen kann, dass sich ein Lichtbogen
außen
auf den Oberflächen
der Kontakte bewegt. Die elektromagnetische Feldstärke ist
eine Funktion der Stromamplitude, jedoch hängt die Verteilung der Stromdichte
im Spalt von der Natur des Lichtbogens ab, der säulenförmig oder diffus sein kann.
Ein diffuser Lichtbogen tritt gewöhnlicherweise zwischen den
sich trennenden Kontakten eines Vakuumunterbrechers bei einem Strom
unter 5kA auf. Diese Art eines Lichtbogens wird durch eine Vielzahl von
kleinen Kathodenpunkten charakterisiert, die einen Strom zwischen
ungefähr
20 und 100A tragen, und zwar abhängig
von dem Kontaktmaterial. Die Punkte senden Metallionen aus, die
benötigt
werden, um den Strom zwischen den sich trennenden Kontakten zu führen. Die übliche Form
für die
Kontakte eines Vakuumunterbrechers für Schaltungen, die Ströme unter
5kA führen
ist eine Scheibenform, die gewöhnlicherweise "Knopfkontakt" genannt wird, und zwar
mit Kontakten, die entlang der im Wesentlichen flachen Oberflächen der
jeweiligen Scheiben anliegen.
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Für Ströme von mehr
als ungefähr
8kA nimmt ein Lichtbogen eines Vakuumunterbrechers eine Säulenform
an und ähnelt
einem Lichtbogen in Luft. Um erfolgreich eine Schaltung bei diesem
höheren
Stromniveau zu unterbrechen, müssen
säulenförmige Lichtbögen gesteuert
werden. Es gibt zwei Alternativen zur Steuerung des Lichtbogens.
Ein Verfahren ist es, die Elektroden als Spiralen oder geschlitzte
Näpfe zu
formen, die so orientiert sind, dass der säulenförmige Lichtbogen dazu gezwungen
wird, sich über
die Oberflächen
der Kontaktstirnseiten zu bewegen. Ein weiteres Verfahren ist es,
den säulenförmigen Lichtbogen
dazu zu zwingen, auch bei diesem hohen Stromniveau diffus zu werden,
was durch Erzeugung eines axialen Magnetfeldes erreicht werden kann.
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Für noch höhere Ströme, über ungefähr 16kA,
tritt ein eingeschränkter
Säulenlichtbogen
auf. Lichtbögen
fallen somit in verschiedene unterschiedliche Zustände, die
nicht eng auf diffuse Lichtbögen und
eingeschränkte
Säulenlichtbögen begrenzt
sind, und bei Übergangsströmen zwischen
den zuvor erwähnten
Strombereichen ist die Natur des Lichtbogens unsicher. Zusätzlich variiert
der Strompegel über
einen Wechselstromhalbzyklus, und der Strompegel kann aufgrund des
Zeitpunktes der Kontakttrennung relativ zum Halbzyklus variieren.
Lichtbögen
reichen im Allgemeinen von passiven diffusen Lichtbögen bei
niedrigem Strom bis zu intensiven Hochdrucklichtbögen mit
schnell verdampfenden Kathoden- und Anodenwurzeln, die dem speziellen
Verhalten der Einleitung des Lichtbogens und des Stroms unterworfen
sind.
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Ein
Schaltungsunterbrecher, beispielsweise zur Anwendung in einer Kontaktvorrichtung,
soll erwartungsgemäß über eine
große
Anzahl von Unterbrechungszyklen bei seinem Nenn-Lastschaltungsstrom
funktionieren, und bei einer kleineren Anzahl von Unterbrechungen
bei höherem
Strom aufgrund von dem extensiveren Elektrodenschaden der auftritt.
Vorteilhafterweise sollte ein Unterbrecher mindestens 106 Betriebsvorgänge bei normalem Laststrom
IL ausführen
können;
105 Betriebsvorgänge bei 6 × IL, wie beispielsweise beim
Ein- und Ausschalten eines Motors für wiederholte Jogging- bzw.
Anlaufanwendungen; 50 Betriebsvorgänge bei 10 × IL (was eine
Standardanforderung ist); und/oder mindestens 3 Betriebsvorgänge bei
einem extremen Kurzschlussstrom von 50 × IL.
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Wenn
der Unterbrecher für
Anwendungen bei niedriger Spannung verwendet wird, ist es vorteilhaft,
ein Stromabriss- bzw. Current-Chop-Kontaktmaterial einzusetzen. "Current Chop" bzw. Stromabschnitt
ist eine Messgröße für das Ausmaß, in dem das
Kontaktmaterial bewirkt, dass der Strom während einer Unterbrechung sofort
auslöscht,
während die
Spannung immer noch vorhanden ist, anstatt sanft auf Null beim nächsten Nulldurchgang
der Spannung abzufallen. Ein Stromabschnitts-Kontaktmaterial für niedrigen
Strom ist eine pulvermetallurgische Mischung von Silber und Wolframcarbid (Ag-WC),
die gut in Verbindung mit diffusen Vakuumlichtbögen bei niedriger Spannung
arbeitet. Wenn der Strom in der Übergangsregion
ist, unterbrechen Knopfkontakte, die aus diesem Material gemacht sind,
nicht immer den Strom beim ersten Wechselstromnulldurchgang folgend
auf die Trennung der Kontakte. Bei progressiv höheren Stromniveaus wird das
Ag-WC-Kontaktmaterial immer weniger effektiv, und bei einem ausreichend
hohen Stromniveau werden solche Kontakte überhaupt nicht den Strom erfolgreich
unterbrechen. Es wäre
vorteilhaft, wenn die Abhängigkeit
einer Schaltungsunterbrechung bei hohem Strom unter Verwendung dieses
Materials verbessert werden könnte,
um die Vorteile eines tiefen Stromabschnittes (Current-Chop) zu
erhalten, insbesondere, indem man den Lichtbogen diffus und nicht säulenförmig bei
einem so hohen Strom wie möglich hält.
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Gewisse
alternative Materialien sind für
die Elektroden möglich,
wie beispielsweise Cu-Cr- und Cu-Cr-Bi-Legierungen. Die Notwendigkeit,
einen diffusen Lichtbogen beizubehalten, um den Elektrodenschaden
zu begrenzen, ist weniger kritisch, bei einigen dieser Materialien
als bei Ag-WC, jedoch wird die Schaltungsunterbrechungsleistung
von diesen Materialien auch verbessert, wenn der Lichtbogen in einem
diffusen Zustand gehalten werden kann.
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Es
ist bekannt, ein axiales Magnetfeld anzulegen, um das Ausmaß zu verbessern,
in dem ein Lichtbogen diffus bleibt, der ein Ag-WC-Kontaktmaterial
auf weist. Beispielsweise erwähnt
das US-Patent 4 367 382 von Suzuki und Anderen Ströme von bis
zu 40kA. Die Unterbrecher von Suzuki setzen eine schwimmende Metalldampfabschirmung
ein. Eine Magnetfeldspule ist hinter jedem der Kontakte gelegen.
Der Mechanismus zur Betätigung
der Kontakte trennt die Kontakte mit ungefähr 2 m/s. Es wäre vorteilhaft,
wenn Axialmagnetfeldmittel bei einem weniger komplizierten Unterbrecher
angewandt werden könnten,
der für
Kontaktmechanismen geeignet ist, bei denen die Kontakte typischerweise
langsam öffnen
(beispielsweise 0,5 m/s) und der Unterbrecher im Allgemeinen kompakt,
haltbar und kostengünstig sein
muss.
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In
der ebenfalls zu eigenen US-Patentanmeldung SN 08/488 404 von Schulman
und Slade wurde eine neuartige Unterbrecherbauart offenbart, bei
der eine einzelne interne axiale Magnetstromspule in Verbindung
mit einem Dampf kondensierenden Lichtbogenschild eingesetzt wurde,
welches elektrisch zwischen zwei rohrförmigen elektrischen Isolatoren isoliert
wird. Jedoch ist diese Konstruktion immer noch relativ komplex,
da die Abschirmung isoliert ist, und dies hat auch hohe innewohnende
Kosten bei der Herstellung zur Folge. Daher ist diese Erfindung am
besten für
den Bereich von Spannungsanwendungen am oberen Ende geeignet, wobei
die isolierte Lichtbogenabschirmung die beste Option ist, um die benötigte dielektrische
Wiedergewinnung und den Spannungswiderstand bei hohen angelegten
Spannungen zu erreichen. Aus diesen und anderen Gründen wird
die vorliegende neuartige Unterbrechungsvorrichtung benötigt.
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US-A-3469050
offenbart eine Lichtbogendrehspulenstruktur in Vakuumschaltungsunterbrechern,
wobei eines der Kontaktglieder auf einer strukturellen Röhre montiert
ist, die von einem schraubenförmigen
Leiter umgeben ist. Der Hauptteil des Stroms fließt von dem
Anschluss zum Kontaktglied durch den spiralförmigen Leiter, und das Rohr
gibt einen Widerstand für
die Lasten beim Zustandekommen der Kontakte.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Schaltungsunterbrecher nach Anspruch 1 vorgesehen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, eine Schaltungsunterbrechung zu gestatten,
insbesondere bei Kontaktvorrichtungsanwendungen bei höheren Strömen, und
zwar durch Halten eines diffusen Vakuumlichtbogens unter Verwendung
einer kompakten internen Struktur, um ein axiales Magnetfeld in
dem Kontaktspalt zu erzeugen.
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Diese
und andere Ziele werden durch einen Vakuumschaltungsunterbrecher
mit einer Spule zur Erzeugung eines axial orientierten Magnetfeldes
erzeugt, um einen elektrischen Lichtbogen in einem diffusen Zustand
und nicht in einem säulenförmigen Zustand
beim Öffnen
des Unterbrechers zu halten. Mindestens eine von zwei Elektroden
mit anlegbaren scheibenförmigen
Kontakten ist über
einen Metallfaltenbalg entlang einer Achse relativ zum anderen bewegbar
und kann durch einen externen Mechanismus gezwungen werden zu öffnen. Die
Elektroden werden in einem Gehäuse
mit einem elektrischen Isolator zwischen gegenüberliegenden Endhalterungen
getragen, die die Elektroden tragen, wobei die Kontakte in einer
evakuierten Umschließung
sind. Eine der Elektroden weist eine Anordnung auf, die ein starres
Tragglied aufweist, das an einem der Kontakte angebracht ist und
sich über
eine Länge
entlang der Achse erstreckt. Eine Spule ist umlaufend um das Tragglied
entlang dieser Länge
gewickelt, wobei sie einen Leitungspfad zur Erzeugung des axialen
Magnetfeldes vorsieht. Das Tragglied weist eine weniger leitende
hohle Hülse
oder ein festes Stück
(beispielsweise aus rostfreiem Stahl) auf, und die Spule ist besser
leitend (beispielsweise aus Kupfer), wobei somit eine haltbare und
kostengünstige
Struktur vorgesehen wird.
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Die
Spule kann nahezu eine vollständige Schraubendrehung
ausführen
oder kann mindestens zwei Spulenabschnitte aufweisen, die sich jeweils
in einem schraubenförmigen
Pfad um den Träger
herum erstrecken. Zwei dieser Spulenabschnitte können vorgesehen werden, jeweils
im Wesentlichen um 180° um
das Tragglied herum gewickelt. Die Spule kann an einer festen oder
einer bewegbaren Elektrode angeordnet sein. Beispielsweise kann
die Spule an einer festen Elektrode an einem Ende mit einem assoziierten
Kontakt der Kontakte gekoppelt sein, und an einem gegenüberliegenden
Ende mit der jeweiligen Endhalterung und der Träger kann eine integrale rostfreie
Rohrhülse
sein, die den Kontakt von der Endhalterung beabstandet. In einer
festen oder bewegbaren Elektrode kann der Träger eine rostfreie Hülse sein,
die einen Schaftteil einer Elektrode von ihrem Kontakt beabstandet,
wobei die Spule in dem Spalt angeordnet ist. Als eine weitere Alternative kann
ein Schaftteil einer Elektrode gebohrt werden, um eine Hülse vorzusehen,
die integral mit dem Schaftteil ist, um den Spalt für die Spule
vorzusehen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
sind in den Zeichnungen gewisse beispielhafte Ausführungsbeispiele
der Erfindung veranschaulicht, wie sie gegenwärtig bevorzugt wird. Es sei
bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die als Beispiele offenbarten
Ausführungsbeispiele
eingeschränkt
ist, und dass Variationen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche möglich sind.
In den Zeichnungen stellen die Figuren Folgendes dar:
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1 ist
eine Längsschnittansicht
eines Schaltungsunterbrechers gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Schnittansicht, die ein alternatives Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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3 ist
eine Schnittansicht, die ein alternatives Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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4 ist
eine voll geschnittene Ansicht, die ein alternatives Ausführungsbeispiel
veranschaulicht.
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5 ist
eine voll geschnittene Ansicht, die ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel
veranschaulicht.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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1 bis 5 bilden
einen erfindungsgemäßen Schaltungsunterbrecher 10 gemäß verschiedener
alternativer Ausführungsbeispiele
ab, wobei gleiche Bezugszeichen in den gesamten Figuren verwendet
werden, um die entsprechenden Teile zu bezeichnen. Jede der Zeichnungen
ist eine Längsschnittansicht,
und jedes der gezeigten Beispiele ist eine im Wesentlichen axialsymmetrische
Struktur.
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Als
erstes verkörpern
die alternativen Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen hier
offenbarten Schaltungsunterbrechers Merkmale, die bei einigen Unterbrechern
des Standes der Technik ebenfalls vorkommen. Einige dieser Merkmale
des Standes der Technik werden in den folgenden vier Absätzen beschrieben:
- 1) In jeder der Zeichnungen hat der Schaltungsunterbrecher 10 eine
erste Elektrode 12, die gegen eine Endhalterung 54 des
Gehäuses
des Unterbrechers festgelegt ist und eine zweite Elektrode 16,
die entlang einer Längsachse 44 relativ
zur anderen Elektrode 12 bewegbar ist. Die Relativbewegung
der Elektrode 16 wird über
einen Metallfaltenbalg 36 erreicht, der an einem seiner
Enden an der Elektrode 16 angebracht ist, und der am anderen
seiner Enden an der Endhalterung 52 angebracht ist, die
einen Teil des Gehäuses
des Unterbrechers bildet. Die Elektrode 12 ist elektrisch
mit einem scheibenförmigen
Knopfkontakt 22 verbunden und die Elektrode 16 ist
elektrisch mit einem scheibenförmigen
Knopfkontakt 24 verbunden. Die Kontakte 22 und 24 werden
normalerweise zusammengedrückt,
um zu gestatten, dass ein Schaltungsstrom durch den Unterbrecher 10 fließt. Ein
(nicht gezeigter) externer Schaltmechanismus kann an dem Unterbrecher 10 angebracht
sein, beispielsweise durch Innengewinde 42 in einem Schaftteil
von einer oder von beiden Elektroden 12 und 16.
Ebenfalls können an
der Außenseite
von einer der Endhalterungen oder von beiden Endhalterungen Mittel
vorgesehen sein, wie beispielsweise die Gewindebolzen 78 in 1,
um physisch den Unterbrecher an dem externen Mechanismus zu befestigen.
In einem alternativen Betriebszustand kann das Gehäuse des
Unterbrechers 10 zusammen mit der "festen" Elektrode 12 bewegt werden,
wobei die andere Elektrode 16 diejenige ist, die tatsächlich relativ
zu einem größeren Mechanismus
stationär gehalten
wird.
- 2) Irgendeine von verschiedenen Formen von Schaltmechanismen
mit einer Betätigungsvorrichtung
kann mit dem Unterbrecher 10 gekoppelt sein, um die Kontakte 22 und 24 zu
trennen, wenn der Schaltungsstrom unterbrochen wird. Der Schaltungsmechanismus
könnte
beispielsweise ein Teil einer Schutzvorrichtung sein, die einen Schaltungsstrom
beim Entdecken eines Fehlerstroms unterbrechen soll, oder ein Teil
eines Leistungsverteilungsschaltsystems (beispielsweise einer Verteilungsschließvorrichtung
oder einer anderen Schaltvorrichtung) oder von einem Hebelwechsler.
Er könnte
auch eine Kontaktvorrichtung in einer Anwendung sein, wie beispielsweise
einer Motorsteuerung (beispielsweise eine Steuerung von Start/Stopp,
Vorwärts/Rückwärts, der
Geschwindigkeit usw.). Beispielsweise sind die Ausführungsbeispiele
der Erfindung, wie in den 2 und 5 gezeigt,
für einen
Schaltungsunterbrecher geeignet, wie beispielsweise eine Industriegröße Nr. 6,
jedoch sind die erfindungsgemäßen Aspekte
auf andere Größen und
Kapazitäten ebenfalls
anwendbar.
- 3) Alternativ kann die Elektrode 12 auch relativ zum
Gehäuse
des Unterbrechers 10 durch eine entsprechende Anbringung
von einem Metallfaltenbalg an der Elektrode 12 bewegbar
sein. Die essentielle Anforderung für den mechanischen Betrieb
ist ein Mittel, durch welches die Kontakte 22 und 24 zusammengedrückt werden
können, um
den Strom zwischen den Elektroden 12 und 16 zu
führen,
und dann getrennt werden können, um
den Strom durch den geworfenen Vakuumlichtbogen zu unterbrechen,
wobei das Gehäuse das
innere hohe Vakuum aufrecht erhält,
das für eine
schnelle dielektrische Wiedergewinnung erforderlich ist, und auch
die Kapazität,
um der angelegten Spannung Widerstand zu bieten.
- 4) Das Gehäuse
des Schaltungsunterbrechers 10 weist einen im Wesentlichern
rohrförmigen
elektrischen Isolator 48 auf, der hermetisch zwischen gegenüberliegenden
Endhalterungen 52 und 54 angebracht ist, die beide
eine Öffnung
haben, durch die die assoziierte Elektrode 16 oder 12 vorsteht.
Die Endhalterungen 52 und 54 sind gewöhnlicherweise
elektrisch mit den jeweiligen Elektroden 16 und 12 gekoppelt.
In allen Zeichnungen trägt
die Endhalterung 54 die feste Elektrode 12 und
dichtet diese hermetisch ab und der Metallfaltenbalg 36 dichtet
hermetisch an seinem einen Ende zur Elektrode 16 und an
seinem anderen Ende zur Endhalterung 52 ab. Die Elektroden 12 und 16,
die Metallfaltenbälge 36,
die Endhalterungen 54 und 52 und der Isolator 48 definieren zusammen
eine gasdichte Umhüllung,
die die Kontakte 22 und 24 umgibt. Beispielsweise
kann irgendeine der Endhalterungen 52 und 54 oder beide
ein einzelner Metallnapf sein, der an seinem oberen Teil mit dem
Isolator 48 verbunden ist, wie die Endhalterung 54 in
den 1 und 5 abgebildet ist. Genauso kann
eine der Endhalterungen 52 und 54 oder auch beide
eine zweiteilige Konstruktion besitzen, und zwar mit einem rohrförmigen Bund,
an dem eine Endkappe angebracht ist und hermetisch abgedichtet ist
(beispielsweise durch Hartlöten
oder Wolfram-Inert-Gas-Schweißen
bzw. TIG-Schweißen entlang der
Verbindung), und zwar als Endhalterung 52, die in verschiedener
Weise in allen Zeichnungen abgebildet ist. Der Isolator 48 kann
eine Keramik aus viel Aluminiumoxid (Al2O3) aufweisen oder alternativ ein Glas- oder
Porzellanmaterial. Im Allgemeinen ist es auch möglich, das Gehäuse mit mehreren
Isolatorabschnitten getrennt durch rohrförmige Metallabschnitte aufzubauen.
Entsprechend einem möglichen
Herstellungsverfahren wird die gasdichte Umhüllung durch ein Portal 56 evakuiert,
welches durch einen Stift 58 abgedichtet ist, wie in 1 abgebildet.
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Zweitens
beziehen sich die erfindungsgemäßen Hauptaspekte
des Unterbrechers 10 auf die Mittel, die vorgesehen sind,
um ein axial gerichtetes Magnetfeld in dem Kontaktspalt einzurichten,
und zwar unter Verwendung des Flusses von Schaltungsstrom und auf
die optimale Wahl der Kontaktmaterialien, die dies gestattet. In
jedem der Ausführungsbeispiele
ist eine einzige Strom führende
Spule 14 von spezieller Konstruktion vorgesehen, die ausgelegt
ist, um ein im Wesentlichen axial orientiertes magnetisches Feld
zu erzeugen, wenn der Strom durch den Unterbrecher 10 läuft. In
Verbindung damit ist eine Metallabschirmung zur Kondensation von
Metalldampf vorgesehen, die elektrisch mit einer von den zwei Elektroden verbunden
ist. Die Spule 14 kann entweder mit der festen Elektrode 12 (1, 2 und 5)
oder mit der bewegbaren Elektrode 16 (3 und 4) in
der folgenden Weise assoziiert sein, wobei die Nummerierung der
Teile sich allgemein auf alle Zeichnungen bezieht.
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Die
Spule 14 hat eine elektrische Verbindung 90 an einem ihrer
Enden mit ihrer assoziierten Elektrode 12 oder 16 und
eine elektrische Verbindung 91 an ihrem gegenüberliegenden Ende mit ihrem
assoziierten Kontakt 22 oder 24. Der Kontakt ist
von dem inneren Ende der assoziierten Elektrode durch ein Tragglied 32 beabstandet,
welches den Raum zur Aufnahme der Höhe der Spule 14 vorsieht,
plus einen zusätzlichen
Raum 35 zwischen der Spule und der Elektrode und einem
Raum 34 zwischen der Spule und dem Kontakt. In diesen Räumen 35 und 34 geschieht
es, dass die elektrischen Verbindungen 90 bzw. 91 gemacht
werden. Das Tragglied 32 erstreckt sich über eine
axiale Länge.
Die Spule 14, die einen leitenden Pfad definiert, der umlaufend
um das Tragglied 32 gewickelt ist, erstreckt sich entlang
dieser Länge
und sieht einen Leitungspfad für
den Schaltungsstrom vor. Aufgrund der umlaufenden Wicklung erzeugt
die Spule 14 ein axial orientiertes Magnetfeld, wenn der
Strom durch sie hindurch fließt.
Die Struktur ist so angeordnet und die Materialien sind so ausgewählt, dass
der größte Teil
des Stroms, der durch den Unterbrecher 10 läuft, durch
die Spule 14 läuft
und nicht durch das Tragglied 32. Das Tragglied 32 und
die Spule 14 können
beide elektrisch leitend sein. Jedoch leitet die Spule 14 besser
als das Tragglied 32, und zwar aufgrund der Wahl der Struktur und/oder
des Materials der Spule bzw. des Traggliedes. Die Spule 14 weist
vorzugsweise ein gut leitendes und relativ dickes Band oder volles
Kupfer auf. Das Tragglied 32 weist vorzugsweise ein weniger
gut leitendes Material auf, wie beispielsweise rostfreien Stahl.
Das Tragglied 32 ist so gezeigt, dass es als eine relativ
dünne rohrförmige Hülse geformt
ist, kann jedoch alternativ ein volles Stück sein. Alternativ kann das
Tragglied 32 aus einem mechanisch festen isolierenden Material
gemacht sein. Die Längsmit telachsen
der Elektroden, der Spule und des Traggliedes sind vorzugsweise
so ausgelegt, dass sie mit der Längsmittelachse 44 des
Unterbrechers 10 zusammenfallen.
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In
allen Zeichnungen ist die Spule 14 in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
gezeigt, in dem sie zwei halbkreisförmige Halbspulenabschnitte 82 und 83 aufweist.
Jeder Spulenabschnitt 82 und 83 erstreckt sich
in einem schraubenförmigen
Pfad um das Tragglied 32. Die Spulenabschnitte 82 und 83 sind
jeweils elektrisch an einem ihrer Enden mit dem Umfang einer Verlängerung 93 mit
gesteigertem Durchmesser der assoziierten Elektrode verbunden und
sind elektrisch an ihrem anderen Ende mit dem Hinterteil des assoziierten
Kontaktes an ihrem Umfang verbunden. Alle Zeichnungen zeigen die
elektrische Verbindung 90 des Spulenabschnittes 83 mit der
Verlängerung 93 der
assoziierten Elektrode und die elektrische Verbindung 91 des
Spulenabschnittes 82 mit seinem assoziierten Kontakt. Die
Halbspulenabschnitte 82 und 83 wickeln sich jeweils
im Wesentlichen um 180° um
das Tragglied 32, wobei ein Teil dieser Winkeldistanzen
auch durch die elektrischen Verbindungen 90 und 91 eingenommen
wird. Es ist auch möglich,
eine Spule mit einem einzigen Abschnitt einzusetzen, die im Wesentlichen
360° umfasst,
oder zusätzlich
kleinere Spulenabschnitte. Beispielsweise weist bei einer Spule,
die drei Abschnitte aufweist, jeder Abschnitt im Wesentlichen 120° auf. Es
ist auch möglich, überlappende
Spulenabschnitte vorzusehen, beispielsweise in einer Doppelschraube,
wobei jeder Abschnitt im Wesentlichen 360° umfasst und die Abschnitte
parallel laufen.
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Ein
Ansatz 99 (1, 3 und 5)
oder eine Einsenkung 100 (4) können vorgesehen sein,
die ordnungsgemäß das Tragglied 32 an
seinem Ende positionieren, wobei es zum Schaft seiner assoziierten
Elektrode weist. Der Knopfkontakt, der mit der Spule 14 assoziiert
ist, kann genauso vorgesehen sein oder einen Ansatz 66 (1, 3 und 4)
oder eine Einsenkung 67 (2 und 5) tragen,
die ordnungsgemäß das Tragglied 32 an
seinem Ende positionieren, welches zu dem Kontakt hinweist.
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Die
Metallabschirmung 72, die für eine Kondensation des Metalldampfes
vom Lichtbogen sorgt, erstreckt sich axial zumindest weit genug,
um die Kontakte 22 und 24 in ihrer offenen Position
zu umgeben. Dies stellt sicher, dass die Abschirmung 72 vollständig die
axiale Länge
des maximalen Kontaktspaltes 92 umgibt, in dem der Vakuumlichtbogen
auftritt, wie in den 3 und 4 gezeigt.
Die Abschirmung 72 kann gerade sein, wie in 3 gezeigt
oder kann beispielsweise an ihrem offenen Ende nach innen gebogen
sein, wie in 1 gezeigt. Die Abschirmung kann
auch den angebrachten Abschnitt 94 tragen, wie beispielsweise
in 4 gezeigt. Eine weitere mögliche Konfiguration der Abschirmung 72 ist
in den 2 und 5 gezeigt, in denen die Abschirmung 72 einen
Abschnitt 73 aufweist, der an dem Ende des Isolators 48 angebracht
ist und sich entlang der Richtung der Achse 44 und in gewisser
Weise nach innen erstreckt, um den Isolator 48 vor dem vom
Lichtbogen erzeugten Metalldampf zu schützen. In Verbindung damit dient
der axial verlängerte
Abschnitt der Metallendhalterung 54 des Gehäuses gleichzeitig
als Dampfkondensationsfläche
in dem Bereich des Kontaktspaltes entsprechend der Definition der
Abschirmung 72. Das bevorzugte Einwärtsbiegen der Abschirmung 72 an
ihrem offenen Ende dient dazu, die Plattierung mit Metalldampf von
dem geworfenen elektrischen Lichtbogen auf die Abschirmung 72 zu
verbessern und nicht auf die Innenfläche des Isolators 48.
Die Abschirmung 72 ist vorzugsweise elektrisch und mechanisch
mit der festen Elektrode 12 durch die Endhalterung 54 verbunden.
Sie ist auch vorzugsweise radial von der bewegbaren Elektrode 16 und
ihrem assoziierten Kontakt 24 um eine Distanz beabstandet,
die im Wesentlichen gleich dem maximalen Trennungsspalt der Kontakte 22 und 24 ist
oder größer als
dieser, wodurch die Beschränkung
des elektrischen Lichtbogens auf den Kontaktspalt 92 begünstigt wird.
Alternativ könnte
die Abschirmung 72 elektrisch und mechanisch mit der bewegbaren
Elektrode 16 assoziiert sein.
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Für einen
mittleren Strom- und Spannungspegel weisen die Knopfkontakte 22 und 24 vorzugsweise
ein niedrig wirkendes Stromabschnittsmaterial auf, wie beispielsweise
Ag-WC oder Cu-Cr-Bi. Die Anwendung von Ag-WC ist norma lerweise auf
niedrige Ströme
eingeschränkt
und kann nicht auf den mittleren Strombereich ausgedehnt werden,
der in dieser Erfindung beansprucht wird. Jedoch wird die Anwendung
von Ag-WC-Material in diesen Ausführungsbeispielen bei mittleren
Strömen
durch die erfindungsgemäße Anwendung
der einzelnen Spule 14 möglich gemacht, die ein axial
orientiertes Magnetfeld vorsieht, welches den Vakuumlichtbogen dazu
zwingt, einen diffusen Zustand mit geringer Erosion auch bei mittleren
Strömen
anzunehmen. Für
Schaltungen mit höherer
Leistung wird ein Cu-Cr- oder ein Cu-Cr-Bi-Material bevorzugt, jedoch
ist für
Cu-Cr der Stromabschnittspegel höher.
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Die
in den Zeichnungen abgebildeten Ausführungsbeispiele weisen verschiedene
mögliche Merkmale
auf, um mechanische, elektrische und/oder Herstellungsaspekte des
Unterbrechers 10 zu verbessern. Die 2 und 5 zeigen
wie die feste Elektrode 12, wenn sie mit der Spule 14 assoziiert
ist, einen zylindrischen Zapfen 64 aufweisen kann oder
eine Unterstützung
für diesen
vorsehen kann, der aus einem festen Material von geringerer Leitfähigkeit
als die Elektrode 12 gemacht ist. Der Zapfen bzw. Bolzen 64 ist
an seiner Außenseite
mit Gewinde versehen gezeigt um eine (nicht gezeigte) Mutter aufzunehmen,
durch die er an dem (nicht gezeigten) Schaltmechanismus angebracht
werden kann. Insbesondere setzt die in 5 gezeigte
Anordnung ein Minimum an Teilen ein und sieht einen haltbaren und kostengünstigen
Unterbrecher vor, der leicht hergestellt wird. Sie verwendet einen
Halterungsbolzen 64 und eine Endhalterung 54 von
der Bauart mit einem Napf aus einem Stück, die oben beschrieben wurde, die
auch als Hauptteil der Lichtbogenabschirmung 72 dient.
Die Elektrode 12, der Ansatz 99, die Elektrodenverlängerung 93,
die Abschnitte 82 und 83 der Spule 14 und
die elektrischen Verbindungen 90 und 91 sind alle
aus einem Teil von hochleitendem Material, wie beispielsweise aus
Kupfer.
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In
den Ausführungsbeispielen
der 1, 3, 4 und 5 weist
das Tragglied 32 eine trennbare Länge einer schlecht leitenden
Röhre (beispielsweise
aus rostfreiem Stahl) auf, die zwischen ihrer assoziierten Elektrode
und dem Kontakt eingepasst ist, um einen Raum zur Aufnahme der Spule 14 aufrecht
zu erhal ten, während
sie strukturell die Verschlusskraft trägt, die auf die Kontakte ausgeübt wird. Ein
alternatives Ausführungsbeispiel,
das minimale Teile hat und insbesondere kompakt, dauerhaft und kostengünstig ist,
ist in 2 gezeigt. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
sind der Bolzen 64 und das Tragglied 32 integral.
Das Tragglied 32 ist durch Ausbohren des inneren Endes
eines erweiterten Schaftteils 84 des Bolzens 64 vorgesehen,
der aus einem schlecht leitenden Material gemacht ist (beispielsweise
aus rostfreiem Stahl). Durch Bohren des Endes dieses Stückes, um
eine dünne
rohrförmige
Hülse an dem
Ende vorzusehen, welches an den Kontakt 22 angebracht ist,
um die erforderlichen Beabstandungen bzw. Räume 34 und 35 aufrecht
zu erhalten, ist der Widerstand des Abschnittes, der nun das Tragglied 32 aufweist,
hoch im Vergleich zu jenem der Spule 14, wie erwünscht.
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3 veranschaulicht
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kontaktes, der mit der Spule 14 assoziiert ist (d.h.
der Kontakt 24 in diesem Fall). Eine Stufe 45,
vorzugsweise glatt, ist in dem Umfang der Stirnseite des Kontaktes 24 maschinell
eingearbeitet, und zwar derart, dass ungefähr die äußere Hälfte der radialen Dicke der
Spulenabschnitte 82 und 83 in einer Linie axial
zu dem äußersten
Abschnitt 63 mit kleinerer Dicke der Stufe auf dem Umfang
des Kontaktes ist. Wir haben herausgefunden, dass dies die Einschränkung des
diffusen Lichtbogens in der mittleren Region des Spaltes begünstigt, der
radial durch die Stufe 45 begrenzt wird, so dass der Lichtbogen
nicht wesentlich in die Region des Abschnittes 63 mit kleinerer
Dicke eintritt, in der das Magnetfeld eine verringerte axiale Komponente
aufgrund seiner Position relativ zu den Spulenabschnitten hat. 3 zeigt
auch die Option einer mittleren Einsenkung 68 in einem
der Kontakte (Kontakt 24 in diesem Fall), von der wir herausgefunden
haben, dass sie die Kontaktaufschweißung reduziert und ein Aufbrechen
einer Aufschweißung
begünstigt. 4 veranschaulicht
ein alternatives Ausführungsbeispiel,
bei dem die Spule 14 auf einer bewegbaren Elektrode 16 in ähnlicher
Weise wie in 3 angeordnet ist, wobei jedoch
der Kontakt 22, der mit der festen Elektrode 12 assoziiert
ist, integral als ein Teil eines Napfes ausgeformt ist, der aus
Kontaktmaterial gemacht ist, der an seiner Basis 26 an
der Endhalterung 54 befestigt ist, und der sich axial erstreckt, um die
Abschirmung 72 vorzusehen. In 4 ist auch gezeigt,
dass der Ansatz 66, der das Tragglied 32 mit dem
Kontakt 24 verbindet, als getrenntes Stück aus einem Material mit niedriger
Leitfähigkeit
gemacht werden kann (beispielsweise rostfreiem Stahl).
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Die
Erfindung ist in Verbindung mit den vorangegangenen Variationen
und Beispielen offenbart worden, wobei nun zusätzliche Variationen dem Fachmann
offensichtlich werden. Die Erfindung soll nicht auf die speziell
erwähnten
Variationen eingeschränkt
sein, und entsprechend sollte eher Bezug auf die beigefügten Ansprüche genommen
werden als auf die vorangegangene Besprechung von bevorzugten Beispielen,
um den Umfang der Erfindung zu erkennen, in dem exklusive Rechte
beansprucht werden.