DE3811833A1 - Vakuumschaltroehre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit zwei innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses koaxial angeordneten Hauptkontaktsystemen, die in separaten Schaltkammern liegen und jeweils aus einem inneren und einem damit zur Anlage gelangenden äußeren Kontaktstück bestehen, wobei die jeweils äußeren Kontaktstücke über bewegliche Kontaktträger und Federbälge stirnseitig aus dem Gehäuse geführt sind und zueinander eine entgegengesetzt gerichtete Schaltbewegung ausführen und die inneren Kontaktstücke zwischen den äußeren Kontaktstücken liegen und miteinander über eine Spule zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes in Reihe geschaltet sind und bei der jeweils ein mit dem inneren, Kontaktstück leitend verbundener Schirmkörper die Hauptkontaktsysteme umgibt und die Schirmkörper mit den inneren Kontaktstücken im Gehäuse befestigt sind.

Eine derartige Vakuumschaltröhre ist aus der DE-OS 33 18 226 bekannt. Bei dieser bekannten Vakuumschaltröhre sind zwei Hauptkontaktsysteme aus jeweils einem inneren, feststehenden Kontaktstück und einem, jeweils einer der Stirnseiten zugewandten, beweglichen, äußeren Kontaktstück gebildet. Die beiden feststehenden, inneren Kontaktstücke der beiden Hauptkontaktsysteme sind auf einer metallischen, feststehenden Trägerplatte elektrisch leitend befestigt, über welche die beiden Hauptkontaktsysteme in Reihe geschaltet sind. Auf dieser Trägerplatte, die elektrisch leitend in der Gehäusewand eingesetzt ist, sind jeweils zu den Stirnseiten der Vakuumschaltröhre hin offene, röhrenförmige Schirmkörper angebracht, welche die Hauptkontaktsysteme umgeben, so daß diese in separaten Schaltkammern liegen. Bei dieser bekannten Vakuumschaltröhre wird die Evakuierung der gesamten Vakuumschaltröhre über nur einen, an einer der Stirnseiten der Vakuumschaltröhre angebrachten Pumpstengel durchgeführt, zu welchem Zweck die Trägerplatte und ggf. die feststehenden, inneren Kontaktstücke mit einer relativ großen Öffnung versehen sind.

Beim Ausschaltvorgang werden die beweglichen Kontaktträger mit den beweglichen, äußeren Kontaktstücken in Richtung der Stirnseiten der Vakuumschaltröhre auseinandergezogen und damit von den feststehenden, inneren Kontaktstücken abgehoben. Dabei entstehen während dieser Kontaktöffnung zwei Lichtbögen, die leitfähigen Metalldampf erzeugen, welcher sich auf den Kontakten selbst und den die Hauptkontaktsysteme umgebenden Wänden niederschlägt. Durch das Vorhandensein der in der Platte vorgesehenen Öffnungen kann es jedoch auch nach dem Löschen der Lichtbögen zu einer hohen Metalldampfkonzentration im Bereich der Kontakte kommen, weil die Öffnungen innerhalb der feststehenden, inneren Kontaktstücke bzw. in deren unmittelbarer Nähe liegen und die Flächen, auf denen sich der entstandene Metalldampf niederschlagen kann, klein sind. Somit ist durch den nicht kondensierten Metalldampf noch relativ lange eine hohe Leitfähigkeit zwischen den Kontaktstücken aufrechterhalten. Mithin besteht zumindest nach dem Ausschalten von hohen Kurzschlußströmen die Möglichkeit, daß die dielektrische Festigkeit der Schaltstrecken zeitlich nur verzögert ansteigt.

Zusätzlich ist durch die Öffnungen in der Platte bzw. den inneren Kontaktstücken auch die Wanderung von leitfähigem Metalldampf von einem Hauptkontaktsystem zum anderen möglich, so daß die Spannungsfestigkeit eines einzelnen Hauptkontakt­ systems durch den im jeweils anderen Hauptkontaktsystem erzeugten Metalldampf zusätzlich vermindert sein kann. Damit ist die dielektrische Festigkeit der beiden in Reihe geschalteten Schaltstrecken beim Ausschalten großer Ströme insgesamt nur gering.

Bei der bekannten Vakuumschaltröhre ist auch vorgesehen, anstelle der durchbrochenen Trägerplatte für die feststehenden Kontaktstücke einen in Form einer Flachspule ausgebildeten, spiralförmigen Verbindungsleiter zu verwenden. Über diesen Verbindungsleiter sind die beiden feststehenden, inneren Kontaktstücke direkt miteinander verbunden. Mit dieser Spule ist ein axiales Magnetfeld erzeugt, aber ebenfalls der Durchtritt von Metalldampf möglich. Die mit dieser Anordnung erzielbaren Feldstärken sind jedoch gering, und der Verlauf des Magnetfeldes weist nur in unmittelbarer Umgebung des Verbindungsleiters und damit lediglich im Bereich der feststehenden, inneren Kontaktstücke eine wirksame axiale Komponente auf. Damit ist die Wirkung des axialen Magnetfeldes zur Verhinderung der Ausbildung von kontrahierten Lichtbögen eingeschränkt, was sich nachteilig auf die Beherrschung hoher Ausschaltströme auswirken kann.

Da die Spule in Reihe zu den Hauptkontaktsystemen geschaltet ist, wird sie außerdem auch permanent vom gleichen Strom wie die Hauptkontaktsysteme durchflossen. Sie muß deshalb für die volle Nennstrombelastung dimensioniert sein, weshalb sie einen großen Querschnitt aufweisen muß. Ferner stellt die Spule eine zusätzliche Wärmequelle innerhalb der Vakuumschaltröhre dar, deren Wärmeleistung bei der bekannten Vakuumschaltröhre zusätzlich über in das Gehäuse integrierte Kühlkörper abgeführt ist. Dadurch ist die Eignung der Vakuumschaltröhre insbesondere für den Einbau in druckgasgekapselten Schaltanlagen erschwert, weil bei diesen die Abfuhr der in ihnen erzeugten Verlustwärme ohnehin schon einen erheblichen Aufwand verursacht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumschaltröhre anzugeben, bei der eine hohe dielektrische Festigkeit in allen Betriebszuständen vor allem auch nach der Ausschaltung hoher Kurzschlußströme gewährleistet ist und die Erwärmung im Nennstrombetrieb auch mit einer innerhalb der Vakuumschaltröhre angeordneten Spule zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes nur gering ist.

Bei einer elektrischen Vakuumschaltröhre der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die beiden inneren Kontaktstücke mit dem jeweiligen Schirmkörper zu axial beweglichen, einander zugewandten Baueinheiten zusammengefaßt sind, die einander berühren und ein Hilfskontaktsystem bilden,

daß die Spule jeweils an den Schirmkörpern angeschlossen und parallel zum Hilfskontaktsystem geschaltet ist und die Baueinheiten, das Hilfskontaktsystem und die Hauptkontaktsysteme gemeinsam koaxial umgibt, und daß die Schaltkammern gegeneinander verschlossen sind.

Bei einer derartigen Vakuumschaltröhre sind im eingeschalteten Zustand die beweglichen, äußeren Kontaktstücke mit den inneren Kontaktstücken, die mit den Schirmkörpern fest verbunden sind und mit diesen jeweils eine Baueinheit bilden, zur Anlage gebracht. Diese aus Schirmkörpern und inneren Kontaktstücken gebildeten, in axialer Richtung beweglichen Baueinheiten berühren sich dabei ebenfalls. Die koaxial um die Baueinheiten und die Kontaktsysteme innerhalb des Gehäuses angeordnete Spule zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes ist mit jeweils einem Ende an einem Schirmkörper angeschlossen. Sie liegt damit parallel zu den sich berührenden Baueinheiten, die wegen ihrer axialen Beweglichkeit ein Hilfskontaktsystem bilden, zu dem die Spule parallel geschaltet ist und in dessen eingeschaltetem Zustand die Spule kurzgeschlossen ist.

Sind also sowohl die Hauptkontaktsysteme als auch das Hilfs­ kontaktsystem geschlossen, befindet sich die Vakuumschaltröhre im eingeschalteten Zustand. Der Strom fließt über die äußeren und inneren Kontaktstücke eines Hauptkontaktsystems und das Hilfskontaktsystem direkt zum anderen Hauptkontaktsystem und nicht über die Spule. Die Spule wird beim Schließen des Hilfskontaktsystems etwas zusammengedrückt, wobei eine geringe, über die beweglichen Kontaktträger und die Hauptkontaktsysteme übertragene, zusätzliche Kontaktdruckkraft vom Antrieb aufgebracht werden muß.

Bei der Ausschaltung werden die beweglichen Kontaktträger mit den äußeren Kontaktstücken auseinandergezogen. Durch die Federkraft der Spule werden die beiden aus inneren Kontakt­ stücken und Schirmkörpern gebildeten Baueinheiten jedoch weiterhin gegen die äußeren Kontaktstücke gedrückt und bewegen sich deshalb synchron mit diesen auseinander. Die Haupt­ kontaktsysteme bleiben somit geschlossen, während sich jedoch das Hilfskontaktsystem öffnet. Dazu genügt es wegen des in der Vakuumschaltröhre herrschenden Vakuums, daß der Kontakthub des Hilfskontaktsystems nur Bruchteile eines Millimeters beträgt.

Nach dieser Öffnung des Hilfskontaktsystems ist die Spule nicht mehr kurzgeschlossen, sondern der Strom fließt nunmehr von dem einen inneren Kontaktstück über die Wände des zugehörigen Schirmkörpers zum einen Anschluß der Spule und über diese, ihren anderen Anschluß und den anderen Schirmkörper zum zweiten Hauptkontaktsystem. Damit erfolgt die Reihenschaltung der beiden Hauptkontaktsysteme jetzt vollständig über die Spule, die nun zugleich auch im Hauptstrompfad liegt. Dadurch wird ein vom auszuschaltetenden Strom erregtes axiales Magnetfeld erzeugt, das auf beide Kontaktsysteme wirkt, weil die Spule die Hauptkontaktsysteme koaxial umgibt.

Nach Überwindung der Vorspannung der Spule, durch welche die inneren Kontaktstücke gegen die jeweiligen äußeren Kontaktstücke gedrückt werden, bleiben die aus Schirmkörpern und inneren Kontaktstücken gebildeten Baueinheiten praktisch gleichzeitig stehen, so daß sich die angetriebenen äußeren Kontaktstücke von den inneren Kontaktstücken abheben. Dadurch öffnen sich die Hauptkontaktsysteme und die eigentliche Ausschaltung des durch die Vakuumschaltröhre fließenden Stromes beginnt mit dem Entstehen von zwei Lichtbögen in den jeweiligen durch die Schirmkörper gebildeten, separaten Schaltkammern. Dabei brennen diese Lichtbögen wegen des durch die Spule erzeugten axialen Magnetfeldes diffus und haben deshalb nur eine kleine Lichtbogenbrennspannung, so daß die umgesetzte Verlustleistung und damit die Kontaktaufschmelzung gering ist.

Da die für jedes Kontaktsystem vorgesehenen, separaten Schalt­ kammern gegeneinander verschlossen sind, ist eine vollständige Trennung der beiden Kontaktsysteme durch einzeln zugeordnete, getrennte Dampfschirme erzielt. Eine gegenseitige Kommunikation der beiden Schaltkammern ist bezüglich der Ausbreitung von Metalldampf verhindert. Die dielektrische Festigkeit jedes einzelnen Kontaktsystems ist deshalb in allen Betriebszuständen ebenso groß, wie für den Fall, daß jedes Kontaktsystem in einer eigenen Vakuumschaltröhre angeordnet wäre. Die Spannungs­ festigkeit ist damit bei der gemäß der Erfindung ausgebildeten Vakuumschaltröhre mit zwei in Reihe geschalteten Kontakt­ systemen ohne Einschränkung verdoppelt. Dadurch kann diese Vakuumschaltröhre gegenüber Vakuumschaltröhren mit nur einem Kontaktsystem auch für die doppelte Nennspannung eingesetzt werden, hat aber gegenüber zwei in Reihe geschalteten einzelnen Vakuumschaltröhren den Vorteil einer viel geringeren Baulänge, so daß auch Hochspannungsschaltgeräte mit relativ kleinem Aufwand im Spannungsbereich oberhalb einer Nennspannung von 36 kV mit Vakuumschaltröhren ausgerüstet sein können.

Da die zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes vorgesehene Spule beide Hauptkontaktsysteme und deren Schirmkörper koaxial umgibt, sind nur wenige Windungen erforderlich, um eine hohe axiale Komponente des Magnetfeldes im gesamten Bereich der beiden in Reihe geschalteten Hauptkontaktsysteme zu erzielen. Dadurch können auch hohe Ströme ohne Auftreten einer Lichtbogenkontraktion geschaltet werden, so daß die Schaltleistung insgesamt hoch und zugleich der Abbrand der Kontakte gering ist. Somit können auch hohe Ströme mit großer Häufigkeit geschaltet werden.

Der Strom durchfließt die Spule immer nur dann, wenn das Hilfskontaktsystem offen ist und dabei auch nur für die Zeitdauer einer Schalthandlung. Demzufolge ist die Spule nur entsprechend dieser kurzzeitigen Belastung zu dimensionieren. Sie kann deshalb vornehmlich entsprechend der mechanischen Beanspruchung ausgelegt sein. Eine dauernde Stromführung braucht nicht berücksichtigt zu werden, so daß der Querschnitt des Spulenleiters nur sehr klein zu sein braucht, wodurch die Baugröße der Vakuumschaltröhre ebenfalls klein gehalten ist. Dadurch können kompakte und ausreichend kleine Vakuumschalter mit derartigen Vakuumschaltröhren bestückt werden.

Wegen des zeitlich begrenzten Stromdurchflusses ist die Abführung einer von der Spule erzeugten Dauerverlustwärme nicht erforderlich, wodurch der Gesamtaufwand für die Vakuumschalt­ röhre nur klein ist. Damit ist sie besonders zum Einbau in druckgasgekapselten Mittel- oder Hochspannungsschaltanlagen geeignet, da dort die Abfuhr von Verlustwärme besonders schwierig ist.

Da das Gehäuse der Vakuumschaltröhre keine vakuumdicht unter­ teilten Teilräume aufweist, sondern im Bereich der Spule ein freier Gasdurchtritt möglich ist, kann die Vakuumschaltröhre vollständig von einer Stelle aus, z. B. über einen Pumpstengel, evakuiert werden.

Es kann vorteilhaft sein, daß die Spule aus federelastischem Material besteht.

Dadurch vergrößert sich die Wirkung der Spule als Druckfeder, so daß für das Hilfskontaktsystem eine zusätzliche kontakt­ abhebende Kraft entsteht, welche die Baueinheiten zuverlässig voneinander abhebt und das Hilfskontaktsystem öffnet, sobald sich die äußeren Kontaktstücke aus ihrer zur Einschaltstellung gehörenden Endposition nach außen bewegen. Es ist dabei jedoch kein zusätzlicher konstruktiver Aufwand notwendig. Außerdem ist der erforderliche Raumbedarf im Innenraum der Vakuumschaltröhre unverändert. Die Kontaktkraft, die auf die äußeren Kontaktstücke wirken muß, um die Hauptkontaktsysteme zu schließen und auch bei hohen Einschaltstoßströmen am Abheben zu hindern, um damit ein Verschweißen der Kontakte zu vermeiden, ist erheblich größer als die zur Überwindung der zusätzlichen, durch die federelastische Spule ausgeübten Gegenkraft notwendig ist. Somit entsteht für den Antrieb der äußeren Kontaktstücke auch mit einer federelastischen Spule kein zusätzlicher Aufwand.

Es kann zweckmäßig sein, daß als Material für die Spule mit Zinn (Sn), Beryllium (Be), Bor (B) und/oder Zircon (Zr) legiertes Kupfer (Cu) verwendet ist.

Mit derartigen Werkstoffen, insbesondere einer homogenen Legierung, ist für die Spule eine ausreichende Federelastizität bei nur geringfügig abgesenkter Leitfähigkeit des Spulenleiters erzielt.

Es kann ferner von Vorteil sein, daß die Schirmkörper mittels isolierter oder schlecht leitender Federelemente gegeneinander abgestützt sind.

Hiermit kann eine praktisch verzögerungslose Öffnung des Hilfkontaktsystems bei der Öffnung des Hauptkontaktsystems erzielt sein, durch die sich exakt reproduzierbare Kontaktöffnungszeiten für die gesamte Vakuumschaltröhre ergeben. Mithin ist der Ungleichlauf von mehreren derartigen, z. B. in einem dreipoligen Vakuumschalter angeordneten Vakuumschaltröhren nur noch von den äußeren Antrieben bestimmt, mit denen sich jedoch relativ leicht ein ausreichender Gleichlauf aller Vakuumschaltröhren erzielen läßt, so daß die Erzeugung von Überspannungen, insbesondere beim dreipoligen Schalten von induktiven Lastströmen nur gering ist.

Es kann empfehlenswert sein, daß die Schirmkörper topfförmig ausgebildet sind und deren Böden die Kontaktflächen für das Haupt- und/oder Hilfskontaktsystem bilden.

Dies reduziert die Baueinheiten aus Schirmkörpern und inneren Kontaktstücken auf jeweils ein einziges Teil, wodurch der Fertigungsaufwand für die Einzelteile aller Kontaktsysteme nur gering ist, weil nur noch zwei einfach herzustellende Drehteile für die Schirmkörper benötigt werden, welche zugleich die inneren Kontaktstücke der Vakuumschaltröhre und die Kontakt­ stücke des Hilfkontaktsystems bilden.

Es kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung zweckmäßig sein, daß die den äußeren Kontaktstücken zugewandten Böden der Schirmkörper jeweils das innenliegende Kontaktstück des Hauptkontaktsystems tragen.

Damit können die Schirmkörper und die inneren Kontaktstücke aus verschiedenen Materialien gefertigt sein, wobei besonders die inneren Kontaktstücke aus abbrandfestem Kontaktwerkstoff hergestellt und dennoch einfach auf den Böden der Schirmkörper angelötet sein können. Damit kann die Standzeit der Hauptkontaktsysteme auch bei häufigen Ausschaltungen von hohen Strömen erheblich verlängert werden, wenn auch das bewegliche Kontaktstück aus abbrandfestem Kontaktwerkstoff hergestellt ist.

Es kann ferner von Vorteil sein, daß das Hilfskontaktsystem mit den Schirmkörpern verbundene, separate Kontaktstücke aufweist. Hiermit kann die mechanische Lebensdauer des Hilfkontaktsystems verlängert und die Böden der Schirmkörper mechanisch verstärkt werden. Zusätzlich kann der Stromübergang zwischen den ge­ schlossenen Kontakten des Hilfkontaktsystems für die Führung hoher Dauerströme verbessert sein, wodurch die Nennstromer­ wärmung im Bereich des Hilfkontaktsystems praktisch keinen Beitrag zur gesamten Nennstromerwärmung liefert.

Darüber hinaus kann in vorteilhafter Weise die Erfindung dadurch weitergebildet sein, daß am Gehäuse und/oder den Schirmkörpern isolierte Anschlagmittel vorgesehen sind, welche die axiale Bewegung der Baueinheiten begrenzen.

Dadurch kann die Kontaktöffnung und Kontaktberührung der Hauptkontaktsysteme räumlich exakt definiert sein, so daß derartige Vakuumschaltröhren eine praktisch vernachlässigbare Streuung des Kontakthubes der Hauptkontaktsysteme aufweisen. Zusätzlich ist auch der Hub des Hilfkontaktsystems eindeutig festgelegt, so daß für den äußeren Antrieb keine aufwendigen Einstellarbeiten erforderlich sind, um einen ausreichenden Gleichlauf von mehreren z. B. in einem dreipoligen Schalter angeordneten, derartigen Vakuumschaltröhren zu erzielen.

Es kann zusätzlich empfehlenswert sein, daß die Spule mit den Baueinheiten im Gehäuse axial elastisch befestigt und durch isolierende Teile seitlich geführt ist.

Durch die elastische Befestigung der Spule mit den Baueinheiten im Gehäuse sind ungleiche Veränderungen der Maße der inneren und der äußeren Kontaktstücke der Hauptkontatsysteme und der Kontakte des Hilfkontaktsystems durch den Abbrand während des Betriebes ohne weiteren Aufwand ausgeglichen, weil die inneren Kontaktstücke axial verschiebbar sind und damit die Kontaktsysteme auch geringfügig unsymmetrisch innerhalb der Vakuumschaltröhre liegen können. Außerdem kann der Antrieb der einzelnen beweglichen Kontaktträger einfach aufgebaut sein, weil die Toleranzen im Gleichlauf für die beiden beweglichen, äußeren Kontaktstücke, die vom äußeren Antrieb bestimmt sind, relativ groß gehalten sein können, da bei einseitigem Kontaktdruck die Belastung der Befestigung der einzelnen Baueinheiten im Gehäuse durch deren Elastizität nur gering ist. Zusätzlich ist durch die seitliche Führung der Spule mit den Baueinheiten im Gehäuse eine parallele Lage aller Kontaktstücke zueinander gewährleistet, weil die Baueinheiten nicht seitlich kippen können.

Ferner kann in vorteilhafter Weise das Gehäuse im Bereich der Spule metallisch und mit dieser an einer Stelle, insbesondere an der mittleren Windung, leitend verbunden sein. Dadurch kann an diesem Teil des Gehäuses eine stabile Befestigung der Vakuumschaltröhre erfolgen und zugleich das Gehäuse im Bereich der Kontaktsysteme und Spule als ein zusätzlicher Dampfschirm gestaltet sein. Mit einem derartigen Dampfschirm kann die Kondensationsfläche für den Metalldampf erhöht und das Risiko für eine die Isolationsfähigkeit des Innenraums der Vakuumschaltröhre vermindernde Bedampfung verringert sein.

Bei einer mittleren Verbindung ist das elektrische Potential des Dampfschirmes symmetriert, so daß auch die kapazitive Spannungsaufteilung zwischen den beiden Hauptkontaktsystemen vergleichmäßigt ist und damit keine durch die Erdkapazitäten verursachte Verringerung der Spannungsfestigkeit einer der beiden Schaltstrecken berücksichtigt werden muß.

Im folgenden sei die Erfindung noch anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der dargestellten Figur ist eine Vakuumschaltröhre im Längsschnitt mit geöffneten Kontakten der Hauptkontaktsysteme und des Hilfskontaktsystems gezeigt, wobei zwei Schnittebenen gebildet sind, die entlang der Längsachse der Vakuumschaltröhre verlaufen, jedoch jeweils nur von den Seiten her bis zur Längsachse reichen und senkrecht zueinander stehen.

Die Vakuumschaltröhre enthält innerhalb des Gehäuses 1 zwei koaxial angeordnete Hauptkontaktsysteme 2, 3 die aus jeweils inneren Kontaktstücken 4, 5 und äußeren Kontaktstücken 6, 7 bestehen. Während die inneren Kontaktstücke 4, 5 vollständig aus abbrandfestem Material bestehen, sind für die äußeren Kontakt­ stücke 6, 7 lediglich aus diesem Material bestehende Auflagen 8 vorgesehen.

Das Gehäuse 1 der Vakuumschaltröhre besteht aus einem im Bereich der Hauptkontaktsysteme 2, 3 liegenden, röhrenförmigen metallischen Mittelteil, der als Dampfschirm 9 wirkt, zwei in axialer Richtung über Flansche 10 am Dampfschirm 9 angelöteten keramischen Isolatoren 11 und ist mit flanschartigen Deckeln 12 jeweils an den äußeren Stirnseiten 13 der Isolatoren 11 vakuumdicht verschlossen. Am Dampfschirm 9 des Gehäuses 1 ist die Vakuumschaltröhre in nicht dargestellter Weise im Vakuumschalter befestigt.

Die beweglichen, äußeren Kontaktstücke 6, 7 sind auf bolzenförmigen Kontaktträgern 14, 15, auf die ein externer, nicht dargestellter, isolierter Antrieb wirkt, befestigt. Die Kontaktträger 14, 15 sind jeweils an den äußeren Stirnseiten 13 der Vakuumschaltröhre über Federbälge 16 beweglich und vakuumdicht durch die flanschartigen Deckel 12 aus dem Gehäuse 1 geführt.

Die inneren Kontaktstücke 4, 5 sind jeweils auf den Böden 20, 21 von separaten, topfförmigen Schirmkörpern 23, 24 aus Kupfer angelötet, die nur zu den Stirnseiten der Vakuumschaltröhre hin Öffnungen 25 aufweisen, durch welche die beweglichen Kontakt­ träger hindurchtreten. Die Schirmkörper 23, 24 sind im Bereich der Öffnungen 25 mit trichterförmigen Einschnürungen 26 ver­ sehen. Damit sind aus den Schirmkörpern 23, 24 und den inneren Kontaktstücken 4, 5 jeweils Baueinheiten 30, 31 gebildet. Die einander zugewandten Seiten der Böden 20, 21 der Schirmkörper 23, 24 tragen Kontaktstücke 27, 28, über die sich im eingeschalteten Zustand der Vakuumschaltröhre die Baueinheiten 30, 31 berühren und ein Hilfskontaktsystem 32 bilden.

Koaxial um die Schirmkörper 23, 24 und die Hauptkontaktsysteme 2, 3 sowie das Hilfskontaktsystem 32 ist eine zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes vorgesehene Spule 35 aus Kupfer mit mehreren konzentrischen Windungen angeordnet, deren oberste Windung 36 am oberen Schirmkörper 23 und deren unterste Windung 37 am unteren Schirmkörper 24 angeschlossen ist. Zwischen den Baueinheiten 30, 31 sind jeweils in radialer Richtung paarweise gegenüberliegend isolierte Druckfedern 40 und in Umfangs­ richtung um 90° versetzt zu diesen isolierte Anschlagwinkel 41 vorgesehen, die an den einander zugewandten Seiten der Böden 20, 21 der Schirmkörper 23, 24 befestigt sind.

Die mittlere Windung 42 der Spule 35 ist über einen leitfähigen, elastischen Steg 43 mit dem Dampfschirm 9 verbunden. Damit ist die Spule 35 mit den die inneren Kontaktstücke 4, 5 enthaltenden, an ihr befestigten Baueinheiten 30, 31 elastisch und axial beweglich im Gehäuse 1 befestigt. An der Innenwand des metallischen Dampfschirmes 9 sind nach innen gerichtete, keramische Stützkörper 44 befestigt, die bis zu den Rändern der Spulenwindungen reichen und die Spule 35 gegen das Gehäuse 1 seitlich abstützen, ohne deren axiale Beweglichkeit einzuschränken. Da keine getrennten Gasräume gebildet sind, kann die Evakuierung der Vakuumschaltröhre vollständig über den am Dampfschirm 9 angebrachten Pumpstengel 45 erfolgen.

Im eingeschalteten Zustand der Vakuumschaltröhre berühren sich die Kontaktstücke 4, 6 des oberen 2 bzw. die Kontaktstücke 5, 7 des unteren Hauptkontaktsystems 3 jeweils miteinander. Damit sind die Hauptkontaktsystme 2, 3 geschlossen. Durch die vom äußeren, nicht dargestellten Antrieb über die beweglichen Kontaktträger 14, 15 auf die Hauptkontaktsysteme 2, 3 ausgeübte Kontaktkraft werden die Baueinheiten 30, 31 mit den inneren Kontaktstücken 4, 5 und den Hilfskontaktstücken 27, 28 hauptsächlich entgegen der Federkraft der Druckfedern 40 gegeneinander gedrückt, so daß sich die Hilfskontaktstücke 27, 28 berühren und das Hilfskontaktsystem 32 geschlossen ist. Da die Spule 35 mit den Schirmkörpern 23, 24 mechanisch fest verbunden ist, wird auch diese um das Maß des Kontakthubes des Hilfs- Kontaktsystems 32 geringfügig unter Überwindung einer Vorspannung federnd zusammengedrückt, wobei dafür wegen der Starrheit der Spule 35 eine kleine zusätzliche Kraft aufgewendet werden muß. Damit ist die Vakuumschaltröhre vollständig eingeschaltet.

Der über die Vakuumschaltröhre führende Strompfad verläuft in diesem vollständigen Einschaltzustand über den oberen beweglichen Kontaktträger 14, das obere äußere Kontaktstück 6 sowie das obere innere Kontaktstück 4, den Boden 20 des oberen Schirmkörpers 23 und das obere Hilfskontaktstück 27. Von dort verläuft der Strompfad weiter zum unteren Hilfskontaktstück 28, über den Boden 21 des unteren Schirmkörpers 24, das untere innere Kontaktstück 5 und das untere, äußere Kontaktstück 7 sowie den unteren beweglichen Kontaktträger 15 des unteren Kontaktsystems 3. Die beiden Kontaktsysteme 2, 3 sind damit über das Hilfskontaktsystem 32 direkt in Reihe geschaltet. Dadurch ist die jeweils mit den Baueinheiten 30, 31 leitend verbundene Spule 35, die zum Hilfskontaktsystem 32 parallel geschaltet ist, durch dieses kurzgeschlossen. Mithin fließt, während sich die Vakuumschaltröhre in diesem eingeschalteten Zustand befindet, kein Strom über die Spule 35. Sie braucht deshalb auch nicht für die Führung des Nennstromes dimensioniert zu sein und trägt außerdem nicht zur Dauer­ erwärmung des Innenraums der Vakuumschaltröhre bei. Da die Druckfedern 40 und die Anschlagwinkel 41 isoliert von den Schirmkörpern 23, 24 angeordnet sind, können über sie auch keine Ströme fließen.

Bei der Ausschaltung werden die beweglichen Kontaktträger 14, 15 mit den äußeren Kontaktstücken 6, 7 in entgegengesetzter Richtung axial auseinandergezogen. Dabei sorgen die mechanischen Vorspannungen der Spule 35 und der isolierten Druckfedern 40 dafür, daß die äußeren Kontaktstücke 6, 7 sich zunächst nicht von den inneren Kontaktstücken 4, 5 abheben können, sondern sich die kompletten Baueinheiten 30, 31 synchron mit den beweglichen, äußeren Kontaktstücken 6, 7 in gleicher Richtung mitbewegen. Dadurch heben sich aber die Hilfskontaktstücke 27, 28 voneinander ab, so daß sich das Hilfskontaktsystem 32 öffnet.

Sobald der bei der Öffung des Hilfkontaktsystems zwischen den Hilfskontaktstücken 27, 28 entstandene Lichtbogen löscht, was beim nächsten Nulldurchgang des Stromes der Fall ist, ist der Kurzschluß für die Spule 35 aufgehoben. Der Strompfad verläuft nunmehr vom oberen Kontaktsystem 2 über den Boden 20 des oberen Schirmkörpers 23 sowie dessen Seitenwände zum oberen Anschluß der obersten Windung 36 der Spule 35 und über die Spule zu deren unterster Windung 37 und von dort über den unteren Schirmkörper 24 sowie das untere Hauptkontaktsystem 3. Damit ist die Spule 35 in den Hauptstrompfad geschaltet. Der somit über die Vakuumschaltröhre geführte Strom fließt damit auch vollständig über die Spule 35 und erregt ein axiales Magnetfeld im Bereich der Hauptkontaktsysteme 2, 3.

Gelangen die isolierten Anschlagwinkel 41 im Verlauf der Bewegung der Baueinheiten 30, 31 gegenseitig zur Anlage, bleiben die Baueinheiten 30, 31 stehen, wobei das Hilfskontaktsystem 32 weiterhin geöffnet ist. Die äußeren Kontaktstücke 6, 7 heben sich nun von den inneren Kontakt­ stücken 4, 5 ab, da sich die beweglichen Kontaktträger 14, 15 mit den äußeren Kontaktstücken 6, 7 bis in ihre Ausschalt­ stellung weiterbewegen. Dadurch entstehen nach der Kontakt­ trennung der Hauptkontaktsysteme 2, 3 zwei Lichtbögen, die sich aufgrund des vom auszuschaltenden Stromes von der Spule 35 erregten, axialen Magnetfeldes auch bei hohen Kurzschlußströmen nicht kontrahieren können, sondern mit geringer Lichtbogenspannung diffus brennen. Dementsprechend ist die Verlustleistung und die Erosion der Kontaktstücke 4, 5, 6, 7 gering.

Durch die separaten Schirmkörper 23, 24 der Baueinheiten 30, 31 sind für jedes Kontaktsystem 2, 3 gegeneinander verschlossene Schaltkammern 46 gebildet, die nur zu den äußeren Stirnseiten 13 der Vakuumschaltröhre hin offen sind. Innerhalb jeder Schaltkammer 46 schlägt sich der durch die Lichtbogeneinwirkung eines jeden Kontaktsystems 2, 3 erzeugte Metalldampf getrennt nieder. Durch die an den Öffnungen 25 der Schirmkörper 23, 24 vorgesehenen Einschnürungen 26 ist der Austritt von Metalldampf in den außerhalb der Schaltkammern 46 liegenden Innenraum des Gehäuses zusätzlich erschwert, so daß eine Bedampfung der Innenseite der Isolatoren mit dem leitfähigem Metalldampf und damit eine Schwächung ihrer Isolationsfestigkeit verhindert ist.

Die für jede Schaltkammer 46 durch die Kontaktflächen und Schirmkörperinnenseiten gebildeten Kondensationsflächen für den Metalldampf sind für jedes Kontaktsystem 2, 3 groß. Außerdem besteht für den Metalldampf keine direkte Verbindung zwischen den beiden Kontaktsystemen 2, 3, so daß insgesamt die dielektrische Festigkeit auch bei der Ausschaltung von hohen Strömen für jedes einzelne Kontaktsystem 2, 3 hoch und keine gegenseitige Beeinflussung möglich ist. Außerdem ist die Spule 35 vor Bedampfung weitgehend geschützt.

Der im Bereich der Spule 35 liegende, zur Befestigung der Vakuumschaltröhre dienende, metallische Mittelteil des Gehäuses 1 wirkt gleichzeitig als zusätzlicher Dampfschirm 9 und trägt zur Erhöhung der Kondensationsfläche bei. Er fängt außerhalb der Schirmkörper 23, 24 in axialer Richtung sich ausbreitenden Metalldampf ab, so daß die Bedampfung der Isolatoren 11 vollständig verhindert und die Spannungsfestigkeit der inneren Isolation der Vakuumschaltröhre weiter erhöht ist.

Bei der Einschaltung bewegen sich die beweglichen Kontakt­ träger 14, 15 mit den äußeren Kontaktstücken 6, 7 aufeinander zu und gelangen zunächst mit den dazwischenliegenden inneren Kontaktstücken 4, 5 zu Anlage. Danach erfolgt, wie bereits beschrieben, das Schließen des Hilfskontaktsystems 32 entgegen der Federkraft der isolierten Druckfedern 40 und der Spule 35, wobei die Spule 35 ebenfalls geringfügig zusammengedrückt ist. Da die Befestigung der Spule 35 mit den Baueinheiten 30, 31 über den leitfähigen, elastischen Steg 43 sowie die keramischen Stützkörper 44 insgesamt elastisch ist, sind auch durch unterschiedlichen Kontaktabbrand während des Betriebes verursachte unterschiedliche Stärken der Kontakt­ stücke 3, 4, 5, 6, 27, 28 ausgeglichen, da sich die Bauein­ heiten 30, 31 und damit auch das Hilfskontaktsystem 32 innerhalb der Vakuumschaltröhre in axialer Richtung verschieben können. Diese elastische Befestigung der Baueinheiten 30, 31 mit der Spule 35 läßt auch einen bestimmten Ungleichlauf der beweglichen Kontaktträger 14, 15 zu, da die Beanspruchung der Befestigung geringer als bei starrer Verbindung ist, was den Aufwand für den Antrieb der beweglichen Kontaktträger 14, 15 vermindert.

Claims (10)

1. Vakuumschaltröhre mit zwei innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses koaxial angeordneten Hauptkontaktsystemen, die in separaten Schaltkammern liegen und jeweils aus einem inneren und einem damit zur Anlage gelangenden äußeren Kontaktstück bestehen, wobei die jeweils äußeren Kontaktstücke über bewegliche Kontaktträger und Federbälge stirnseitig aus dem Gehäuse geführt sind und zueinander eine entgegengesetzt gerichtete Schaltbewegung ausführen und die inneren Kontaktstücke zwischen den äußeren Kontaktstücken liegen und miteinander über eine Spule zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes in Reihe geschaltet sind und bei der jeweils ein mit dem inneren Kontaktstück leitend verbundener Schirmkörper die Hauptkontaktsysteme umgibt und die Schirmkörper mit den inneren Kontaktstücken im Gehäuse befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden inneren Kontaktstücken mit dem jeweiligen Schirmkörper zu axial beweglichen, einander zugewandten Baueinheiten zusammengefaßt sind, die einander berühren und ein Hilfskontaktsystem bilden, daß die Spule jeweils an den Schirmkörpern angeschlossen und parallel zum Hilfskontaktsystem geschaltet ist und die Baueinheiten, das Hilfskontaktsystem und die Hauptkontaktsysteme gemeinsam koaxial umgibt, und daß die Schaltkammern gegeneinander verschlossen sind.

2. Vakuumschaltröhre nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus federelastischem Material besteht.

3. Vakuumschaltröhre nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Spule mit Zinn (Sn), Beryllium (Be), Bor (B) und/oder Zircon (Zr) legiertes Kupfer (Cu) verwendet ist.

4. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmkörper mittels isolierter oder schlecht leitender Federelemente gegeneinander abgestützt sind.

5. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmkörper topfförmig ausgebildet sind und deren Böden die Kontaktflächen für das Haupt- und/oder Hilfskontaktsystem bilden.

6. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den äußeren Kontaktstücken zugewandten Böden der topfförmigen Schirmkörper jeweils das innenliegende Kontaktstück des Hauptkontaktsystems tragen.

7. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfskontaktsystem mit den Schirmkörpern verbundene, separate Kontaktstücke aufweist.

8. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse und/oder den Schirmkörpern isolierte Anschlagmittel vorgesehen sind, welche die axiale Bewegung der Baueinheiten begrenzen.

9. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mit den Baueinheiten im Gehäuse axial elastisch befestigt und durch isolierende Teile seitlich geführt ist.

10. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im Bereich der Spule metallisch und mit dieser an einer Stelle leitend verbunden ist.