DE69730193T2

DE69730193T2 - Spule mit axialem Magnetfeld für Vakuumschalter

Info

Publication number: DE69730193T2
Application number: DE69730193T
Authority: DE
Inventors: Stephen David Horseheads Mayo
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2017-12-10
Also published as: DE69730193D1; ZA9711335B; EP0849751A3; EP0849751B1; KR100484076B1; KR19980064241A; US5777287A; CN1084038C; EP0849751A2; CN1185644A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vakuumschalter und bezieht sich insbesondere auf verbesserte Axialmagnetfeldspulen für Vakuumschalter.
Hintergrundinformation
Vakuumschalter werden typischerweise verwendet, um Wechselströme zu unterbrechen. Die Unterbrecher weisen eine im allgemeinen zylindrische Vakuumumhüllung auf, die ein Paar von koaxial ausgerichteten trennbaren Kontaktanordnungen mit gegenüberliegenden Kontaktflächen umgeben. Die Kontaktflächen liegen aneinander in einer Position mit geschlossener Schaltung an und werden getrennt, um die Schaltung zu öffnen. Jede Elektrodenanordnung ist mit einem stromtragenden Anschlußzapfen verbunden, der sich aus der Vakuumumhüllung heraus erstreckt und eine Verbindung mit einer Wechselstromschaltung herstellt.
Es wird typischerweise ein Lichtbogen zwischen den Kontaktflächen gebildet, wenn die Kontakte auseinander in die Position für offene Schaltung bewegt werden. Die Lichtbogenbildung setzt sich fort, bis der Strom unterbrochen ist. Metall von den Kontakten, welches durch den Lichtbogen verdampft wird, bildet ein neutrales Plasma während der Lichtbogenbildung und kondensiert wieder auf den Kontakten und auch auf den Dampfabschirmungen, die zwischen den Kontaktanordnungen und der Vakuumumhüllung angeordnet sind, nach dem der Strom ausgelöscht wurde.
Der Lichtbogen ist im allgemeinen anfänglich von kompakter säulenartiger Form, die ein heißes Plasma erzeugt. Ein heißes Plasma kann einen beträchtlichen Strom zwischen den Kontakten übertragen und es daher schwieriger machen, den Strom zu unterbrechen. Es ist vorteilhaft, zu begünstigen, daß der säulenförmige Lichtbogen ein diffuser Lichtbogen wird, was zu einem kühleren Plasma führt und auch zu einem leichter zu unterbrechenden Strom. Ein diffuser Lichtbogen verdampft nicht so viel von dem Kontakt wie ein säulenförmiger Lichtbogen, weil er die Lichtbogenenergie über einen breiteren Bereich der Kontaktfläche verteilt, und er verlängert daher die Nutzungslebensdauer der Kontakte und des Unterbrechers.
Eine Technik, um die Bildung eines diffusen Lichtbogens zu begünstigen, ist es, ein axial gerichtetes Magnetfeld in der Region zwischen den Kontakten aufzubauen. Das Feld kann selbst durch den Unterbrecherstrom in Spulen erzeugt werden, die hinter jedem Kontakt gelegen sind. Eine Vielzahl von Elektrodenanordnungen, die solche Spulen für AxialmagnetfeldVakuumschalter aufweisen, werden besprochen in dem Artikel "The Vacuum Interrupter Contact" (der Vakuumschalterkontakt) von Paul Slade, IEEE Transactions on Components, Hybrids and Mfg. Tech., Vol. CHMT-7, Nr. 1, März 1987.
Feldspulen des Standes der Technik, wie beispielsweise die Spulen, die in den US-Patenten 4 260 864, 4 588 879 und 5 055 639 offenbart werden, weisen typischerweise stromführende Arme auf, die von einer zentralen Nabe abgehen, wobei die radialen Arme mit bogenförmigen Spulenelementen verbunden sind. Die radialen Arme erzeugen Felder mit einer signifikanten Komponente, die nicht in axialer Richtung verläuft. Die nicht axialen Felder können den Lichtbogen stören und den Übergang des Lichtbogens in den diffusen Zustand verzögern. Zusätzlich tragen die radialen Arme beträchtlich zu der Gesamtlänge des Strompfades bei. Dies bringt eine Widerstandswärmebelastung auf den Unterbrecher auf, die durch unerwünschte Konstruktionsmodifikationen zu kompensieren sein kann. Die nicht axialen Felder, die von anderen stromführenden Elementen erzeugt werden, als den bogenförmigen Spulenelementen können auch Wirbelströme in den Kontakten erzeugen, die Felder entgegengesetzt zum axialen Feld erzeugen, was die Wirksamkeit der Spulenelemente reduziert.
Einige Konstruktionen von AxialfeldVakuumschaltern, wie beispielsweise offenbart in den US-Patenten 4 675 483, 4 871 888, 4 982 059 und 5 313 030, haben versucht, die sich radial erstreckenden Teile der Spulen zu re duzieren oder zu eliminieren, in dem sie zylindrische Spulen mit einer Vielzahl von abgewinkelten Schlitzen verwenden, wobei die abgewinkelten Schlitze eine Vielzahl von sich schraubenförmig erstreckenden stromleitenden Armen definieren. Die schraubenförmigen Arme haben typischerweise einen Strompfad zur Folge, der nicht so wirksam bei der Erzeugung von großen axialen Feldern ist, wie es sich rein in Umfangsrichtung erstreckende Spulenelemente sind. Der schraubenförmige Strompfad erstreckt sich beträchtlich in axialer Richtung hinter dem Kontakt, was im Endeffekt die Spule weiter vom Kontakt weg bewegt. Diese beiden Arten von Elektrodenanordnungskonstruktionen des Standes der Technik haben gewöhnlicherweise mehrere Stücke, wodurch hohe Kosten für Teile und die Konstruktion auftreten.
Andere AxialfeldVakuumschalter, wie beispielsweise jene, die in den US-Patenten 3 823 2.87 und 4 704 506 offenbart werden, weisen zylindrische Spulen auf, die axial nach vorne von der Rückplatte beabstandet sind. Die zylindrischen Spulen weisen bogenförmige Arme mit rechteckigen Querschnitten von relativ kleiner Fläche auf, was hohe Stromdichten und eine langsame Wärmeübertragung durch die Spulenarme während des Betriebs des Vakuumschalters zur Folge hat.
US 3 469 050 A offenbart einen Unterbrecherkontakt mit einer Grundplatte (14) mit einem rohrförmigen leitenden Teil mit einem daran angebrachten Material von hoher Leitfähigkeit. Ein rostfreies Stahlrohr, welches das Kontaktglied trägt, wird in eine Scheibe angehoben, wobei ein Teil der Scheibe das Rohr umgibt und im allgemeinen eine Kegelstumpfform hat. Das Rohr wird koaxial durch eine zylindrische Hülse mit stark leitfähigem Material umgeben, wie beispielsweise Kupfer, wobei der Innendurchmesser davon im wesentlichen konstant und größer als der Außendurchmesser des Rohrs ist. Die Außenwand der Hülse wird in vier Teile gestuft, wobei jeder davon im wesentlichen einen konstanten Außendurchmesser hat. Das Ende des Rohrs entfernt von der Scheibe wird auf seine Außenwand geschraubt und steht im Eingriff mit einer im allgemeinen kegelstumpfförmigen ringförmigen Mutter aus rostfreiem Stahl. Die kegelstumpfförmigen Teile der Scheibe und der ringförmigen Mutter stehen in der Weise von Zapfen in der Mündung am Ende der Hülse in Eingriff, um auf den entgegengesetzten Umfangsflächen davon aufzuliegen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Elektrodenanordnung für einen Vakuumschalter nach Anspruch 1 und eine Elektrodenspule für einen AxialmagnetfeldVakuumschalter nach Anspruch 13 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
AxialmagnetfeldVakuumschalter werden gewöhnlicherweise verwendet, um größere Ströme als 5 kA in Mittelspannungssystemen zu unterbrechen, beispielsweise 3,6 bis 38 kV. Typische AxialmagnetfeldVakuumschalter des Standes der Technik arbeiten nicht zufriedenstellend bei Anwendungen mit hohen kontinuierlichen Strömen (mehr als 1.600 Ampere), und zwar aus zwei Hauptgründen. Erstens bringen die Arme der Spule eine beträchtliche Länge des Materials hinzu, durch die der Strom fließen muß. Die Arme haben gewöhnlicherweise einen relativ kleinen Querschnitt, was hohe Stromdichten zu Folge hat. Die vergrößerte Länge und der verringerte Querschnitt bewirken einen vergrößerten Widerstand, was zu einer Wärmeerzeugung in der Spule führt. Zweitens wird Wärme an der Kontaktschnittstelle zwischen den festen und bewegbaren Spulenanordnungen erzeugt. Die einzigen Mittel zur Entfernung dieser Wärme sind durch Leitung durch die Spulenstruktur. Die vergrößerte Länge und der verringerte Querschnitt von herkömmlichen Konstruktionen führt zu hohem thermischen Widerstand, was die wirkungsvolle Entfernung von Wärme behindert.
Der üblichste Weg, die oben erwähnten Probleme zu lösen, ist es, die Anzahl der Arme in der Spule zu steigern. Dies hat den Effekt, den Strom zu reduzieren, der durch jeden Arm fließt, was somit die Wärme reduziert, die in der Spule erzeugt wird. Während die Verringerung der Armlänge den thermischen Widerstand reduziert, hat dies den unerwünschten Effekt, das axiale Magnetfeld zu senken, welches durch die Spule erzeugt wird, und zwar durch Verringerung des Stroms, der durch jeden Arm fließt. Wenn ein abwechselndes Magnetfeld durch einen Leiter geleitet wird, wie beispielsweise durch die Kontaktplatte, wird ein Gegenstrom in Form von Wirbelströmen erzeugt. Diese Wirbelströme erzeugen ein Magnetfeld, welches dem erwünschten axialen Magnetfeld entgegengesetzt ist. Das daraus resultierende Feld kann nicht ausreichend sein, um einen diffusen Lichtbogen zwischen den Kontakten aufrecht zu erhalten, was zur Folge hat, daß der Vakuumschalter nicht unterbrechen kann. Eine Lösung für das Problem mit den Wirbelströmen ist es, Schlitze in die Kontaktstirnseite zu schneiden, was die Wirbelströme und das Gegenmagnetfeld reduziert. Jedoch beeinflussen Schlitze nachteilig die Hochspannungsleistung der Vorrichtung.
Es ist daher wünschenswert, eine Elektrodenanordnung für einen Vakuumschalter zu erhalten, die eine Spulenstruktur hat, die ein ausreichendes axiales Magnetfeld erzeugt und die Anwendung von hohen kontinuierlichen Strömen gestattet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht eine Elektrodenanordnung für einen Vakuumschalter vor, die eine Kontaktplatte aufweist, die mit einer Elektrodenspule verbunden ist. Die Elektrodenspule weist eine Basis zur Anbringung an einem Anschlußzapfen des Vakuumschalters auf, und mindestens einen bogenförmigen Arm, der sich von der Basis erstreckt, der einen wesentlichen umlaufenden Strompfad definiert. Der bogenförmige Arm hat einen radialen Querschnitt von größerer Dicke benachbart zur Basis als benachbart zur Kontaktplatte.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Elektrodenspule für einen AxialmagnetfeldVakuumschalter vor, der eine im allgemeinen scheibenförmige Basis zur Anbringung an einem Anschlußzapfen des Vakuumschalters aufweist, und mindestens einen bogenförmigen Arm, der sich von der Basis er streckt, der einen wesentlichen umlaufenden Strompfad definiert, wobei der bogenförmige Arm mehr Material aufweist, welches benachbart zur Basis angeordnet ist, als welches entfernt von der Basis angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung sieht weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenspule für einen Vakuumschalter vor, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, ein Materialstück vorzusehen, eine im allgemeinen scheibenförmige Basis aus einem Teil des Materialstücks herzustellen, und Material von dem anderen Teil des Materialstücks zu entfernen, um mindestens einen bogenförmigen Arm zu bilden, der sich von der im allgemeinen scheibenförmigen Basis erstreckt, wobei der bogenförmige Arm mehr Material aufweist, welches benachbart zur Basis gelegen ist, als welches entfernt von der Basis gelegen ist.
Ein Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Elektrodenanordnung vorzusehen, um ein axiales Magnetfeld für die Kontaktregion eines Vakuumschalters vorzusehen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektrodenspule für einen Vakuumschalter vorzusehen, der die Anwendung von höheren kontinuierlichen Strömen in AxialmagnetfeldVakuumschaltern gestattet, in dem die Querschnittsfläche der das Feld erzeugenden Spule vergrößert wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Elektrodenspule für einen Vakuumschalter vorzusehen, der nicht eine übermäßige Widerstandswärme erzeugt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine kostengünstige Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem Vakuumschalter vorzusehen, der eine minimale Anzahl von Komponententeilen aufweist und einfach herzustellen ist.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlicher.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Vakuumschalter, bei dem die Elektrodenspulen der vorliegenden Erfindung eingebaut sein können.
2 ist eine Schnittansicht einer Elektrodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Explosionsansicht der Komponenten einer Elektrodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Endansicht einer das axiale Magnetfeld erzeugenden Spule, die zwei Spulenanordnungen mit trapezförmigen Querschnitten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung aufweist.
5 ist eine Schnittansicht, die durch den Schnitt 5-5 der Elektrodenspule der 7 aufgenommen wurde.
6 ist eine Schnittansicht, die durch den Schnitt 6-6 der Elektrodenspule der 7 aufgenommen wurde.
7 ist eine Schnittansicht einer ein axiales Magnetfeld erzeugenden Spule, die Spulenarme mit trapezförmigen Querschnitten gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung aufweist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Mit Bezug auf 1 weist ein Vakuumschalter 10 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung eine Vakuumumhüllung 12 mit beabstandeten leitenden Endkappen 14 und 16 auf, die durch ein rohrförmiges isolierendes Gehäuse 18 verbunden sind. Erste und zweite Elektrodenanordnungen 20 und 22 definieren eine gemeinsame Längsachse innerhalb der Vakuumumhüllung 12. Erste und zweite Anschlußzapfen 24 und 26 sind elektrisch mit den ersten und zweiten Elektrodenanordnungen 20 bzw. 22 gekoppelt, um die ersten und zweiten Elektrodenanordnungen 20 und 22 mit einer Wechselstromschaltung 28 zu koppeln. Ein Mechanismus, wie beispielsweise eine Faltenbalganordnung 30 gestattet eine axiale Bewegung von mindestens einer der Elektrodenanordnungen zwischen einer Position mit geöffneter Schaltung und einer (nicht gezeigten) Position mit geschlossener Schaltung. Eine Dampfabschirmung 32, die entweder elektrisch von den Elektrodenanordnungen 20 und 22 isoliert ist, oder mit einer der Elektrodenanordnungen 20 und 22 verbunden ist, umgibt beide Elektrodenanordnungen, um Metalldämpfe davon abzuhalten, sich auf dem isolierenden Gehäuse 18 zu sammeln. Eine Faltenbalgdampfabschirmung 34 hält Metalldämpfe weg von den Faltenbalganordnungen 30 und von der Endkappe 16, während eine zusätzliche Dampfabschirmung 36 die andere Endkappe 14 schützt.
2 ist eine Schnittansicht einer Elektrodenanordnung 22 der vorliegenden Erfindung. Die Elektrodenanordnung 22 weist eine im allgemeinen napfförmige Elektrodenspule 40 mit einer Basis 42 auf, die an einem Anschlußzapfen 26 mittels eines ringförmigen Flansches 44 angebracht ist. Die Basis 42 ist im allgemeinen scheibenförmig und weist ein Loch 46 auf, welches durch die Mitte davon läuft, welches den Einschluß von Gas verhindert. Die Basis 42 kann an dem Anschlußzapfen 26 durch irgendwelche geeigneten Mittel angebracht sein, wie beispielsweise durch Schweißen, Hartlöten, Weichlöten oder Preßpassung, wobei Hartlöten insbesondere bevorzugt wird.
Wie in 2 gezeigt, weist die Elektrodenspule 40 einen bogenförmigen Arm 50 auf, der sich um ungefähr 180° um den Umfang der Elektrodenspule 40 herum erstreckt. Ein Zapfen 52 verbindet die Basis 42 mit dem bogenförmigen Arm 50. Ein weiterer Zapfen 54 erstreckt sich von dem bogenförmigen Arm 50 und ist an einer Kontaktplatte 70 angebracht. Die Basis 42, der bogenförmige Arm 50 und die Zapfen 52, 54 sind vorzugsweise aus einem einzigen Materialstück hergestellt und werden darauffolgend an der Kontaktplatte 70 angebracht, wie genauer unten beschrieben wird. Das Ma terial dieser Komponenten weist irgendein Material auf, welches eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und Fähigkeit zur Wärmeübertragung hat. Metalle, wie beispielsweise Kupfer und Cu/Cr-Verbundstoffe sind geeignet.
Eine Hülse 60 paßt in einen kreisförmigen Einschnitt 48 in der Basis 42. Ein Loch 62 ist vorzugsweise durch die Hülse 60 hindurch vorgesehen, um zu verhindern, daß Gas in der Hülse eingeschlossen wird. Die Hülse 60 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Kontaktplatte 70 ist an der Hülse 60 durch einen kreisförmigen erhabenen Teil 72 angebracht, der in die Hülse 60 paßt. Die Kontaktplatte 70 weist optional eine Vertiefung 74 auf.
Wie genauer in 3 gezeigt, weist die Elektrodenanordnung 22 relativ wenige Komponententeile auf, die relativ einfach zu montieren sind. Die Kontaktplatte 70 ist vorzugsweise an der Elektrodenspule 40 mittels der Hülse 60 angebracht. Die Hülse 60 ist an dem kreisförmigen erhabenen Teil 72 der Kontaktplatte 70 durch irgendwelche geeigneten Mittel angebracht, wie beispielsweise durch Schweißen, Hartlöten oder Preßpassung, wobei Hartlöten bevorzugt wird. Die Hülse 60 paßt in die kreisförmige Öffnung 48 der Basis 42 und ist daran durch Mittel befestigt, wie beispielsweise Schweißen, Hartlöten oder Preßpassung, wobei Hartlöten bevorzugt wird. Die Elektrodenanordnung 22 ist an dem Anschlußzapfen 26 beispielsweise durch Schweißen, Hartlöten oder Preßpassung angebracht.
Wie genauer unten in Verbindung mit den 4–6 beschrieben, weist die Elektrodenspule 40 mindestens einen bogenförmigen Arm auf, der sich zumindest teilweise um den Umfang der Elektrodenspule herum erstreckt. Jede bogenförmige Spule hat Zapfen zur Anbringung an der Basis 42 der Elektrodenspule und der Kontaktplatte 70. In dem in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Elektrodenspule 40 zwei bogenförmige Arme 50 und 51 auf, wobei jeder bogenförmige Arm sich um ungefähr 180° um den Umfang der Elektrodenspule herum erstreckt. Der bogenförmige Arm 50 weist einen Zapfen 54 auf, der mit der Kontaktplatte 70 verbunden ist, während der bogenförmige Arm 51 einen Zapfen 55 aufweist, der mit der Platte 70 verbunden ist. Die Zapfen 54 und 55 sind an der Kontaktplatte 70 durch irgendwelche geeigneten Mittel angebracht, wie beispielsweise Schweißen oder Hartlöten, wobei Hartlöten bevorzugt wird. Sobald diese montiert sind, sieht die Elektrodenspule 40 einen umlaufenden Strompfad zwischen den Anschlußzapfen 26 und der Kontaktplatte 70 vor.
4–6 veranschaulichen eine Elektrodenspule gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die Elektrodenspule weist eine Basis 42 mit einer kreisförmigen Öffnung 43 darin auf, und zwar zur Verbindung mit einem (nicht gezeigten) Anschlußzapfen eines Vakuumschalters. Die Basis 42 weist vorzugsweise einen kreisförmigen Einschnitt 48 zur Aufnahme einer (nicht gezeigten) Traghülse auf, ähnlich der Hülse 60, die in den 2 und 3 gezeigt wurde. Die im allgemeinen scheibenförmige Basis 42 kann ein Loch 46 aufweisen, welches durch ihre Mitte läuft.
In dem in den 4–6 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Elektrodenspule zwei bogenförmige Arme 50 und 51 auf, wobei jeder davon einen im wesentlichen gleichförmigen Krümmungsradius hat und sich um ungefähr 180° um den Umfang der Spule herum erstreckt, um einen umlaufenden Strompfad vorzusehen. Während zwei bogenförmige Spulen in den 4–6 gezeigt wurden, sei bemerkt, daß irgendeine geeignete Anzahl von bogenförmigen Armen verwendet werden kann. Beispielsweise kann ein einzelner bogenförmiger Arm, der sich um ungefähr 360° um den Umfang der Spule herum erstreckt, verwendet werden. Alternativ können mehr als zwei bogenförmige Arme verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Arme ein ausreichendes axiales Magnetfeld während des Betriebs der Spule erzeugen können. Während weiterhin die in den 4–6 gezeigten bogenförmigen Arme einen im wesentlichen gleichförmigen Krümmungsradius haben, können andere Konfigurationen verwendet werden, wie beispielsweise spiralförmige Arme.
Der bogenförmige Arm 50 ist mit der Basis 42 der Spule durch einen Zapfen 52 verbunden. Ein weiterer Zapfen 54 erstreckt sich von dem bogenförmigen Arm 50 zur Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Kontaktplatte in ähnlicher Weise, wie in 2 gezeigt. Die bogenförmige Spule 51 weist genauso einen Zapfen 53 auf, der mit der Basis 42 verbunden ist, und einen Zapfen 55 zur Verbindung mit der Kontaktplatte.
Wie genauer in 5 gezeigt, hat jeder der bogenförmigen Arme 50 und 51 einen nicht rechteckigen radialen Querschnitt 56 bzw. 57. Beispielsweise hat der Querschnitt 56 des bogenförmigen Arms 50 einen Querschnittsbereich, der von der Höhe H des Arms definiert wird, der sich in der axialen Richtung der Spule erstreckt, und die Abmessungen R₁, R₂ und R₃, in einer radialen Richtung von der Mittelachse der Spule verlaufend. Der Radius R₁ stellt den Außenradius des bogenförmigen Arms 50 dar. Die Innenfläche des bogenförmigen Arms 50 verjüngt sich radial nach innen vom Radis R₂ zum Radius R₃. Der Querschnitt 56, der in 5 gezeigt wird, hat im wesentlichen eine Trapezform mit einer Fläche, die durch folgende Formel definiert wird: A = H × (R1 – (R2 + R3)/2).
Wie in den 4–6 gezeigt, sieht die Anwendung eines inneren Radius R₃ benachbart zur Basis 42 der Elektrodenspule, der kleiner ist, als der innere Radius R₂ benachbart zu der (nicht gezeigten) Kontaktplatte einen nicht rechteckigen radialen Querschnitt für jeden der bogenförmigen Arme 50 und 51 vor. Für eine gegebene Abmessung H kann die Fläche des in 5 gezeigten Querschnittes 56 gesteigert werden, und zwar durch Verringerung der Länge des inneren Radius R₃ unter die Länge des inneren Radius R₂. Die relativen Längen der inneren Radien R₂ und R₃ werden vorzugsweise ausgerichtet, um eine verjüngte Innenfläche des bogenförmigen Arms vorzusehen, die sich in einem Winkel von ungefähr 1 bis ungefähr 45 Grad mit Bezug zur Mittelachse der Elektrodenspule erstreckt. Der Winkel der Verjüngung ist vielmehr vorzugsweise zwischen ungefähr 15 und ungefähr 20 Grad.
Wenn man mehr Material näher an der Basisplatte 42 vorsieht als an der Kontaktplatte, bieten die bogenförmigen Arme 50 und 51 verschiedene Vorteile. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Stromleitungskapazität der Elektrodenspule gesteigert, während man die Fähigkeit beibehält, ein ausreichendes axiales Magnetfeld zu erzeugen. Wenn beispielsweise die Querschnittsfläche 56, die in 5 gezeigt wird, um 22% gesteigert wird, wird die Stromleitungskapazität der Spule um 13% vergrößert, und zwar mit nur einer minimalen Verringerung des axialen Magnetfeldes, beispielsweise von weniger als 5%, wie durch eine Finite-Elemente-Analyse bestimmt.
Das in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem in den 4–6 gezeigten Ausführungsbeispiel, und zwar mit der Ausnahme, daß die Basis 42 der Elektrodenspule mit einem angehobenen Flansch 44 anstelle einer kreisförmigen Öffnung 43 zur Verbindung mit dem (nicht gezeigten) Anschlußzapfen versehen ist.
Während die in den Ausführungsbeispielen der 4–7 gezeigten bogenförmigen Arme im allgemeinen trapezförmige Querschnitte haben, sind andere Konfigurationen gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, vorausgesetzt, daß die bogenförmigen Arme mehr Material benachbart zur Basis 42 der Spule als benachbart zur Kontaktplatte haben. Während beispielsweise die Innenflächen der in den 4–7 gezeigten bogenförmigen Spulen sich nach innen entlang einer geraden Linie von dem inneren Radius R₂ zum inneren Radius R₃ verjüngen, kann eine gekrümmte oder segmentierte Linie verwendet werden. Während weiterhin der in den 4–7 gezeigte Außenradius R₁ im wesentlichen gleichförmig entlang der axialen Höhe H der bogenförmigen Arme ist, könnte die Außenfläche der bogenförmigen Arme zusätzlich oder statt der verjüngten Innenfläche der Arme verjüngt sein.
Die folgenden Beispiele sollen verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und sollen nicht deren Umfang einschränken.
Beispiel 1
Spulen, die bogenförmige Arme mit rechteckigen Querschnitten haben, die ähnlich jenen sind, die in der US-Anmeldung Seriennummer 08/340,578 beschrieben werden, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme mit eingeschlossen sei, wurden hergestellt und im Vergleich mit Spulen getestet, die trapezförmige Querschnitte besitzen, ähnlich jenen, die in den 4–6 gezeigt sind. Die rechteckigen Querschnitte hatten eine Fläche von 0,2485 Quadratinch, während die trapezförmigen Querschnitte eine Fläche von 0,3045 Quadratinch hatten. Tests wurden in einem 38 kV-Unterbrecher ausgeführt, der in einer Standard-Umhüllung eingebaut war. Ein Temperaturanstiegstest, der bei 2.000 Ampere kontinuierlichem Strom ausgeführt wurde, zeigte, daß für die Spulen mit Armen mit rechteckigem Querschnitt der daraus resultierende Temperaturanstieg um 5°C über der ANSI-akzeptablen Grenze von 65°C war. Wenn die Spulen Arme mit trapezförmigem Querschnitt dem gleichen Test unterworfen wurden, war der Temperaturanstieg um 9°C unter der akzeptablen Grenze.
Beispiel 2
sVakuumschalter, die ähnlich konstruiert waren, wie in 1 gezeigt, wurden mit Axialmagnetfeldelektrodenanordnungen ausgerüstet, wie in den 2–3 gezeigt. Die Vakuumschalter wurden in einem 38 kV-Unterbrecher eingebaut und getestet. Die Vakuumschalter durchliefen erfolgreich eine induktive Schaltung bei 38 kV und 40 kA und eine Kondensatorschaltung bei 38 kV gemäß ANSI-Standards.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine ein Axialmagnetfeld erzeugende Spule vorgesehen, die die Stromleitfähigkeit für kontinuierlichen Strom steigert, ohne nachteilig die Hochspannungsleistung oder die Unterbrechungsleistung des Vakuumschalters zu beeinflussen. Die Anwendung von bogenförmigen Spulen mit relativ großen Querschnitten von kontrollierter Form steigert die Wärmeübertragungsfähigkeiten der Spulen, während sie ein zufriedenstellendes axiales Magnetfeld erzeugen. Weiterhin reduzieren die das axiale Magnetfeld erzeugenden Spulen der vorliegenden Erfindung die Bearbeitungszeit und die Kosten durch Verringerung der Materialmängel, die während der Herstellung entfernt werden muß.
Während die vorliegende Erfindung bezüglich gewisser Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, werden verschiedene Anpassungen, Modifikationen und Veränderungen dem Fachmann offensichtlich werden, und solche Anpassungen, Modifikationen und Veränderungen sollen im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt.

Claims

Elektrodenanordnung (22) für einen Vakuumschalter (10), wobei Folgendes vorgesehen ist: eine Kontaktplatte (70); und eine Elektrodenspule (40) verbunden mit der Kontaktplatte (70), wobei die Spule eine Basis (42) zur Befestigung an einem Anschlusszapfen (26) des Vakuumschalters (10) und mindestens einen sich von der Basis (42) wegerstreckenden bogenförmigen Arm (50, 51) aufweist, der einen wesentlichen umfangsmäßigen Strompfad definiert, wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) einen Radialquerschnitt (56, 57) mit einer größeren Radialdimension benachbart zur Basis (42) als benachbart zur Kontaktplatte (70) aufweist, und wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) eine Innenoberfläche besitzt, die sich radial nach innen von einem Teil des bogenförmigen Arms benachbart zur Kontaktplatte (70) zu einem Teil des bogenförmigen Arms benachbart zur Basis (42) hin verjüngt.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Basis (42) im Allgemeinen scheibenförmig ist, und der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) mit der Basis (42) durch einen Zapfen (52, 53) verbunden ist, der sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene definiert, durch die allgemeine scheibenförmige Basis (42) erstreckt.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) einen Außenradius (R₁) aufweist, der im Wesentlichen gleich einem Außenradius der im Allgemeinen scheibenförmigen Basis (42) ist.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kontaktplatte (70) im Allgemeinen scheibenförmig ist und wobei ferner der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) mit der Kontaktplatte (70) durch einen Zapfen (54, 55) verbunden ist, der sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene erstreckt, die durch die im Allgemeinen scheibenförmige Kontaktplatte (70) definiert ist.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) einen Außenradius (R₁) im Wesentlichen gleich einem Außenradius der im Allgemeinen scheibenförmigen Kontaktplatte (70) besitzt).
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Innenoberfläche des mindestens einen bogenförmigen Arms (50, 51) sich radial nach innen entlang einer im Wesentlichen geraden Linie verjüngt.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 6, wobei die Innenoberfläche des mindestens einen bogenförmigen Arms (50, 51) sich radial nach innen unter einem Winkel von ungefähr 1 bis ungefähr 45 Grad von einer Mittelachse der Elektrodenanordnung verjüngt.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Radialquerschnitt (56, 57) des mindestens einen bogenförmigen Arms (50, 51) eine im Wesentlichen trapezförmige Gestalt besitzt.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenspule (40) zwei der bogenförmigen Arme (50, 51) aufweist, und wobei ferner jeder der bogenförmigen Arme (50, 51) sich fast 180 Grad um einen Umfang der Elektrodenanordnung herum erstreckt.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei sich der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) in einer Ebene im Wesentlichen parallel zu einer Ebene erstreckt, die durch die Basis (42) definiert wird.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) einen im Wesentlichen gleichförmigen Krümmungsradius aufweist.
Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei eine Hülse (60) angebracht zwischen der Kontaktplatte (70) und der Basis (42) der Elektrodenspule (40) vorgesehen ist, und zwar positioniert innerhalb von dem mindestens einem bogenförmigen Arm (50, 51).
Elektrodenspule (40) für einen axialen Magnetfeldvakuumschalter (10), die Folgendes aufweist: eine im allgemeinen scheibenförmige Basis (42) zur Anbringung an einem Anschlusszapfen (26) des Vakuumschalters (10); mindestens einen bogenförmigen Arm (50, 51), der sich von der Basis (42) erstreckt und einen im Wesentlichen umfangsmäßigen Strompfad definiert, wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) mehr Material benachbart zur Basis (42) als entfernt von der Basis (42) aufweist, und ferner einen Radialquerschnitt (56, 57) in einer größeren Radialabmessung benachbart zur Basis (42) als benachbart zur Kontaktplatte (70) besitzt; und wobei ferner die Innenoberfläche des mindestens einen bogenförmigen Arms (50, 51) sich radial nach Innen entlang einer im Wesentlichen geraden Linie verjüngt.
Elektrodenspule nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) mit der Basis (42) durch einen Zapfen (52, 53) verbunden ist, der sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene erstreckt, die durch die im Allgemeinen scheibenförmige Basis (42) definiert ist.
Elektrodenspule nach Anspruch 14, wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) einen Außenradius im Wesentlichen gleich einem Außenradius der im Allgemeinen scheibenförmigen Basis (42) besitzt.
Elektrodenspule nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) eine Innenoberfläche aufweist, die sich radial nach innen verjüngt, und zwar von einem Teil des bogenförmigen Arms angeordnet weg von der Basis (42) zu einem Teil des bogenförmigen Arms hin, der benachbart zur Basis (42) angeordnet ist.
Elektrodenspule nach Anspruch 13, wobei die Innenoberfläche des mindestens einen bogenförmigen Arms (50, 51) sich radial nach innen verjüngt, und zwar mit einem Winkel von ungefähr 1 bis ungefähr 45 Grad von einer Mittelachse der Elektrodenspule.
Elektrodenspule nach Anspruch 13, wobei der radiale Querschnitt (56, 57) des mindestens einen bogenförmigen Arms (50, 51) eine im Wesentlichen trapezförmige Gestalt besitzt.
Elektrodenspule nach Anspruch 13, wobei die Spule zwei der bogenförmigen Arme (50, 51) aufweist, und wobei jeder der bogenförmigen Arme sich um fast 180 Grad um einen Umfang der Elektrodenanordnung herum erstreckt.
Elektrodenspule nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) sich in einer Ebene im Wesentlichen parallel zu einer Ebene erstreckt, die durch die im Allgemeinen scheibenförmige Basis (42) definiert wird.
Elektrodenspule nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) einen im Wesentlichen gleichförmigen Krümmungsradius besitzt.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenspule (40) nach einem der Ansprüche 13 bis 21 für einen Vakuumschalter (10), wobei das Verfahren Folgendes vorsieht: Vorsehen eines Materialstücks; Ausbilden einer im Allgemeinen scheibenförmigen Basis (42) aus einem Teil des Materialstücks; und Entfernen von Material von einem weiteren Teil des Materialstücks zur Bildung von mindestens einem bogenförmigen Arm (50, 51), der sich von der im Allgemeinen scheibenförmigen Basis (42) aus erstreckt, wobei der mindestens eine bogenförmige Arm (50, 51) mehr Material benachbart zur Basis (42) als von der Basis (42) entfernt aufweist.