WO1997050105A1

WO1997050105A1 - Kontaktanordnung für vakuumschalter

Info

Publication number: WO1997050105A1
Application number: PCT/DE1997/001221
Authority: WO
Inventors: Wilfried Haas
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1997-06-16
Publication date: 1997-12-31
Anticipated expiration: 1998-12-21
Also published as: DE59700981D1; US6140599A; EP0906634A1; DE19624920A1; EP0906634B1; JPH11513174A

Abstract

Solche Kontaktanordnungen bestehen üblichwerweise aus zwei einander gegenüberliegenden Schaltstücken (1). Zur Bildung eines Spiralkontaktes kann jedes Schaltstück (1) von einem Zentrum ausgehend nach außen verlaufende Schlitze aufweisen. Gemäß der Erfindung weisen die Konturen der Schlitze (3-8) einen variablen Radius (r(ζ)) auf, dessen Fußpunkt mit dem Mittelpunkt (10) des Schaltstückes (1) mit vorgegebenem Radius (RK) zusammenfällt. Vorzugsweise enden die Schlitze an einer in der Mitte des Schaltstückes (1) liegenden Eindrehung (2) mit vorgegebenem Radius (RI) oder überschneiden diese geringfügig, wobei RI ≈ 0,25 - 0,33 . RK ist. Für die Schlitzkonturen können spezifische mathematische Funktionen angegeben werden.

Description

Beschreibung

Kontaktanordnung für Vakuumschalter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Va- kuumschalter, bestehend aus zwei einander gegenüberliegenden Schaltstücken mit kreisförmiger Grundfläche von vorgegebenem Radius und zentraler kreisförmiger Eindrehung, wobei jedes Schaltstück drei bis sechs von einem Zentrum ausgehende, nach außen verlaufende Schlitze aufweist, so daß ein Spiralkontakt gebildet ist, und wobei die Konturen der Schlitze einen va¬ riablen Radius aufweisen.

Vakuumschalter haben sich in letzter Zeit zunehmend durchge- setzt. Neben dem Mittelspannungsbereich werden auch Anwendun¬ gen im Hochspannungs- bzw. Niederspannungsbereich vorgeschla¬ gen. Bei letzterem sind die Kontaktanordnungen in den Vakuum¬ schaltröhren hauptsächlich so konzipiert, daß ein radiales Magnetfeld zur Beeinflussung des Lichtbogens entsteht.

Der bei Kurzschlußabschaltungen in Vakuumschaltröhren mit Ra¬ dialmagnetfeldkontakten entstehende kontrahierte Metalldampf¬ lichtbogen soll sich möglichst rasch von seinem Entstehungs¬ ort im Zentralbereich der Kontakte wegbewegen. Dadurch werden lokale thermische Überlastungen der Kontaktoberflächen ver¬ mieden. Auch im weiteren zeitlichen Verlauf der Abschaltung soll eine große Wärmebeanspruchung durch ein rasches kontinu¬ ierliches Bogenlaufen in den Randzonen der Schaltstücke ver¬ hindert werden. Zudem soll die nach außen gerichtete Plas- maεtrömung aus dem Lichtbogen möglichst klein sein, um die Schirmbelastung niedrig zu halten.

Bei Spiralkontakten erreicht man ein solches Lichtbogenver¬ halten beispielsweise durch das Anbringen von Schlitzen in den Schaltstücken. Durch die Gestaltung dieser Schlitze kann in den Kontakten eine solche Richtung des Stromflusses er¬ zwungen werden, daß das dadurch verursachte Magnetfeld bzw. die damit verknüpfte Lorentzkraft den Lichtbogen in seinem Bewegungs- und Plasma-Abströmverhalten entsprechend beein- flußt.

Bei bekannten Spiralkontakten, die in kommerziellen Vakuum¬ schaltröhren eingesetzt werden, treten entweder beim Loslau¬ fen des Lichtbogens oder beim nachfolgenden Umlaufen in den Kontaktrandzonen aber auch beim Übergang zwischen beiden Be¬ wegungsphasen Schwierigkeiten auf . Außerdem kann das Kommu- tieren des Lichtbogens über die Schlitze hinweg erschwert sein, wenn der Betrag der antreibenden Magnetkraft zwar groß ist, aber die den Lichtbogen bewegende Azimutalkomponente zu klein und die die Plasmaströmung auf den Schirm antreibende Radialkomponente zu groß ist. Bei diesen Beispielen verlaufen die Schlitze entweder geradlinig, oder ihre Kontur zeichnet sich durch einen konstanten Krümmungsradius aus.

Im US-Patent 4 999 463 wird eine Schlitzkontur mathematisch beschrieben, welche einen variablen Radius besitzt, dessen Fußpunkt nicht mit dem Schaltstückmittelpunkt zusammenfällt. Dadurch kann der Schlitz bis an die Eindrehung der Kontakte heranreichen, und so ein Verharren des Lichtbogens beim Loε- laufen vermieden werden. In diesem Fall scheint aber die Ra¬ dial- und Azimutalkomponenten der auf den Lichtbogen wirken¬ den Lorentzkraft am äußeren Ende des Spiralflügels so groß bzw. so klein zu sein, daß zum einen dessen Kommutierung er¬ schwert ist, zum anderen die^' thermische Schirmbelastung zu groß wird. Außerdem wird durch den kleinen Schnittwinkel zwi¬ schen Schlitzkontur und Umfang der Eindrehung das Loslaufen des Lichtbogens erschwert .

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Spiralkontakte in ihrem Wirkungsgrad weiter zu verbessern. Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelost, daß der Fuß¬ punkt des Radius der Schlitzkonturen mit dem Mittelpunkt des Kontaktstückes mit vorgegebenem Radius zusammenfällt, wobei die Schlitze im Bogenmaß eine Länge zwischen 5/12 und 2/3 π haben und wobei der vom Schlitz mit der Eindrehung gebildete π Winkel φ>— ist. Vorzugsweise enden die Schlitze an der in der Mitte des Schaltstückeε liegenden Eindrehung mit vorgege¬ benem Radius (Ri) oder überschneiden diese geringfügig, wobei Ri = 0, 25 - 0, 33 R_κ ist. Insbesondere können die Schlitze vor der Eindrehung in einer kreisförmigen Bohrung enden.

Mit der Erfindung sind Schaltstucke mit drei bis sechs, vor¬ zugsweise mit vier Schlitzen, so gestaltet, daß die auf den Lichtbogen wirkende Magnetkraft sowohl in den zentralen als auch in den peripheren Kontaktbereichen ein optimales Verhal¬ ten aufweist. Damit ist gegenüber dem Stand der Technik eine beachtliche Verbesserung bewirkt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausfuhrungsbei- spielen anhand der Zeichnung. Es zeigen

FIG 1 die Draufsicht auf einen neuen Spiralkontakt als Teil der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung,

FIG 2 einen Schnitt durch FIG 1 längs der Linie II-II,

FIG 3 verschiedene Varianten der Schlitzkonturfuhrung,

FIG 4 einen Spiralkontakt mit vier Schlitzen, die vor der Eindrehung in Kreisbohrungen enden, und FIG 5 einen solchen Spiralkontakt mit sechs Schlitzen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben. Gleiche und gleich wirkende Teile haben in den Figuren gleiche Be¬ zugszeichen.

In FIG 1 und FIG 2 bedeuten 1 ein Schaltstück, das Teil einer Kontaktanordnung für einen Vakuumschalter ist und dazu in ei¬ ner zugehörigen Schaltröhre angeordnet wird. Das Schaltstück 1 ist kreissymmetrisch ausgebildet und hat im Zentrum eine Eindrehung 2. Von der Eindrehung 2 ausgehend sind in FIG 1 vier Schlitze 3 bis 6 ersichtlich, die jeweils spiralförmig verlaufen und das Schaltstück zu einem Spiralkontakt definie¬ ren.

Werden zwei solcher Spiralkontakte einander gegenüber ge- stellt, entsteht durch den Stromfluß ein radiales Magnetfeld, das einen kontrahierten Lichtbogen in eine azimutale, durch die Geometrie des Spiralkontaktes vorgegebene Bewegung ver¬ setzt .

Statt vier Schlitze können ebenso gut sechs Schlitze vorhan¬ den sein. Für die Praxis kann es sich empfehlen wie in FIG 4 und 5 dargestellt, daß die Schlitze 3 bis 6 bzw. 3 bis 8 vor der zentralen Eindrehung 2 in kreisförmigen Bohrungen 13 bis 16 bzw. 13 bis 18 enden.

Wesentlich ist die geometrische Ausbildung der Schlitze 3 bis 6 bzw. 3 bis 8. Bezüglich eines Polarkoordinatensystems, des¬ sen Ursprung mit dem Kontaktmittelpunkt zusammenfällt, weisen solche Schlitze einen variablen Radius r(φ) auf, dessen Mit- telpunkt mit dem Kontaktmittelpunkt zusammenfällt. Die Schlitze 3 bis 8 enden an der in der Mitte der Schaltstücke liegende sog. Eindrehung mit dem Radius R_τ oder überschneiden diese geringfügig. Mit R_κ als Kontaktradius gilt

R, ≤ r(φ) ≤ R_κ und R_I = 0,25 ... 0,33 * R_K (1) Die im Bogenmaß angegebene Länge der Schlitze liegt typi¬ scherweise bei

Die Breite b der Schlitze beträgt etwa 4-10 % des Kontakt¬ durchmessers D = 2*R_K, d. h. b =0.04...0.1* D (3)

Ein rasches Loslaufen und Kommutieren des Lichtbogens wird durch Schlitzkonturen erreicht, die die Eindrehung unter ei¬ nem möglichst großen Winkel φ>— (4)

^Ψ 3 schneiden und den Umfang des Kontaktes unter einem möglichst kleinen Winkel θ<* . (5) 6

Magnetfelder, die die Lichtbogenbewegung in ihrer Gesamtphase günstig beeinflussen, werden beispielsweise durch solche Ξchlitzkonturen erreicht, die in fünf Fällen analytisch be¬ schrieben werden:

Fall

Φ) 1 und /, =0.30 (6.1)

2. Fall

Sinh(a₇ -φ) φ) = R, +(R_κ - R,y mit a₂ = 1 und f₂ = 0.50 ( 6 . 2 : Sinh(a₂ ^■ ψ) Fall

*3(φ) 1 , /₃ = 0.38 ( 6 . 3 )

4 . Fall

5 . Fall

φ) = R, +(R_κ -R,y mit f₅ = 0.67 6 . 5 )

Für eine Feinabstimmung der Kontur der Schlitze 3 bis 8 hin¬ sichtlich des Magnetfeldes oder auch aus fertigungstechni- sehen Gründen können die Formfaktoren a und f innerhalb be¬ stimmter Grenzen variiert werden. Dabei hat eine Verkleine¬ rung des Parameters a selbst um den Faktor 100 in allen Fäl¬ len nur einen sehr geringen Einfluß auf die Schlitzkontur.

Dagegen ist die Vergrößerung in den ersten beiden Fällen auf 100 bzw. 50 %, in den restlichen Fällen auf 75 % beschränkt, wenn die Kontaktschitzung in der Praxis realisierbar sein soll.

Im Rahmen einer sinnvollen Auslegung der Kontakte ist die Än¬ derung des Parameters f nach oben und unten auf den Faktor 2 beschränkt .

FIG 3 zeigt die sich in den angegebenen fünf Fällen ergeben- den Schlitzkonturen zusammen mit den Grenzen, innerhalb der sie sich bei den angegebenen Variationen von a und f ändern können. Ganz entsprechend sind auch andere mathematische Be- Schreibungen der hier angegebenen Schlitzkonturen oder sol¬ cher, die nur geringfügig davon abweichen möglich. Dies ist z. B. durch Reihenentwicklungen oder Linearkombinationen der hier angegebenen Beziehungen, aber auch Verknüpfung der bei den Fällen 1 bis 5 in eckiger Klammer stehenden Ausdrücke ge¬ mäß

.sowie 0,2 < / < 0,75

( 6 . 6 ) möglich. Gemeinsames Merkmal sind dabei die Eigenschaften nach 6.1 - 6.5 und die Tatsache, daß der Fußpunkt des Radius der Schlitzkontur mit dem Kontaktmittelpunkt zusammenfällt.

Da beim Fräsen der Kontaktschlitze 3 bis 8 m der Nähe der Eindrehung, wegen des hier vorkommenden kleinen Krummungsra- dius, aus maschinentechnischen Gründen Schwierigkeiten auf¬ treten können, kann gemäß FIG 4 der Schlitz m diesem Bereich durch eine Bohrung 13 bis 18 mit dem Durchmesser d ersetzt werden. Die Bohrungen 13 bis 18 sollten die Eindrehung entwe¬ der berühren oder geringfügig überlappen. Der Durchmesser ist sinnvollerweise nach oben gemäß

begrenzt .

Die Entfernung e des Mittelpunktes dieser Bohrung von der Schlitzkontur liegt im Bereich

0 ≤ e ≤ ^± . (8)

2

Anlage 5 zeigt ein Beispiel für Bohrungen, deren Mittelpunkte nicht auf der Schlitzkontur liegen. Es ist möglich, die in FIG. 4 aufgeführten scharfen Kanten bei den Übergängen Flügel-Schlitz oder Bohrung-Schlitz ebenso wie Flügelspitzen durch Rundungen mit einem Krümmungsradius

R_s =0.25•••1.0* b (9) zu ersetzen, wenn die Wiederzündungswahrscheinlichkeit redu¬ ziert werden muß.

Claims

Patentansprüche

1. Kontaktanordnung für Vakuumschalter, bestehend aus zwei einander gegenüberliegenden Schaltstücken mit kreisförmiger Grundfläche von vorgegebenem Radius (R_κ) und zentraler kreis¬ förmiger Eindrehung (2), wobei jedes Schaltstück (1) drei bis sechs von einem Zentrum ausgehende nach außen verlaufende Schlitze (3-8) aufweist, so daß ein Spiralkontakt gebildet ist, und wobei die Konturen der Schlitze (3-8) einen varia- blen Radiuε (r(φ)) aufweisen, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß der Fußpunkt des Radiuε (r(φ)) der Schlitzkonturen mit dem Mittelpunkt (10) des Schaltstückes (1) mit vorgegebenem Radius (R_κ) zusammenfällt, wobei die Schlitze (3-8) im Bogenmaß eine Länge zwischen 5/12 und 2/3 π haben und wobei der vom einzelnen Schlitz (3-8) mit der Ein- π drehung (2) gebildete Winkel φ>— ist.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Schlitze (3-8) an der Eindrehung (2) mit vorgegebenem Radius (Ri) enden oder diese geringfügig überschneiden, wobei Ri ~ 0,25 ... 0,33 • R_κ ist.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schlitze (3-8) vor der Eindrehung (2) in kreisförmigen Bohrungen (13-18) enden.

4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß für den Radius (r(φ) ) der Schlitzkonturen gilt: R_Ϊ < r(φ) < R_κ.

5. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird:

mit 0,01 <a_l<2 und 0,15 < f_x < 0,6

6. Kontaktanordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Q,_x = \ ^urχd f =0.30 ist.

7. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird:

r{ψ) mit 0,01 < a₂ < 1,5 und 0,25 < f₂ < 1

8. Kontaktanordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß a₂ = 1 f₂ = 0.50 ist.

9. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird:

r(φ) m/r 0.01 < a₃ < 1.75 und 0.19 < /₃ < 0.76

10. Kontaktanordnung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß α₃ = 1 und /₃ = 0.38 ist

11. Kontakt anordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t . daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird: sin(α₄-φ) r(v) = R_l+(R_κ-R_ιY mit 0.01 < a_A < 0.88 und 0.37 < /₄ < 1.5 sin(α₄ Ψ)

12. Kontaktanordnung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß α₄ =0.5 und f₄ =0.75 ist.

13. Kontaktanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird: h r{φ) = R_l+(R_κ-R,y mit 0.34 < /_j < 1.35

Ψ

14. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß /, = 0.67 ist.

15. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, g e k e n n z e i c h n e t durch Linearkombinationen und/oder Reihenentwicklungen der angegebenen Beziehungen.

16. Kontaktanordnung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t . daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird:

Cos/ι(α,φ)-l 5/n/ι(α₂φ) l-cos(α₃φ) sin(ö₄φ) fφ\ r{φ)=R,₊(R_κ-R,)

^Υl Cosh(a_]Ψ)-l^{+y 2} Sinh(a₂V)^{+y 3} \-∞s(a,Ψ) ^{+ y 4} sin(a_ΛΨ)^{+y S}\Ψ ) mit ]Tγ_v =1 und 0.01 <a<\ sowie 0.2 </ 0.75

17. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Brei¬ te (b) der Schlitze (3-8) kleiner als 1/10 des Durchmessers (D) ist.

18. Kontaktanordnung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Breite (b) der Schlitze (3-8) gilt:

0,04 D < b < 0,1 D.