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WO2003005393A1 - Vakuumschaltröhre für hohe kurzschlussströme - Google Patents

Vakuumschaltröhre für hohe kurzschlussströme Download PDF

Info

Publication number
WO2003005393A1
WO2003005393A1 PCT/DE2002/002354 DE0202354W WO03005393A1 WO 2003005393 A1 WO2003005393 A1 WO 2003005393A1 DE 0202354 W DE0202354 W DE 0202354W WO 03005393 A1 WO03005393 A1 WO 03005393A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
contacts
vacuum interrupter
contact
interrupter according
area
Prior art date
Application number
PCT/DE2002/002354
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Haas
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2003005393A1 publication Critical patent/WO2003005393A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/14—Multiple main contacts for the purpose of dividing the current through, or potential drop along, the arc

Definitions

  • the invention relates to a vacuum interrupter for high short-circuit currents, with a vacuum housing and contacts arranged therein, at least one of which is a fixed contact and at least one is a moving contact, with a plurality of pairs of contacts which are electrically connected in parallel.
  • a vacuum interrupter is the subject of DE 26 00 305 AI, applications in the medium voltage and high voltage range are provided there.
  • the previously known switching tube is not suitable for the low-voltage range.
  • Low-voltage vacuum switches should be usable and selective at high currents that determine the power range, for which the contacts are often designed as radial field contacts.
  • the contacts When using special radial magnetic field contacts, not only does the repulsive force acting as a result of the current flow in the current transition point occur, but also a repulsive current loop force comes into play due to the current flow in the contacts.
  • closing forces of several 10 kN are necessary when using this type of contact. Since this is very difficult to achieve with the conventional switch lock designs, this problem must be solved in a similar way to conventional low-voltage air switches, where there are several contact points.
  • a frame for the dimensions of vacuum interrupters in low-voltage applications is, to a certain extent, defined for the various switch sizes due to the usual pole center distances. It is also complied with by the tubes described in the patent documents DE 198 02 893 A1, DE 199 10 148 AI and WO 99/38181 AI, which currently. can be used for low voltage vacuum circuit breakers.
  • the invention specifies a technical teaching specifically for low-voltage vacuum switches, switching contacts being able to be arranged closely next to one another in order to achieve high switching powers with low contact forces. According to the invention, that in the case of radial magnetic field or plate contacts instead of the largest possible switching contact - as in the prior art - a plurality of smaller switching contacts increase the switching capacity with lower contact forces, thereby creating a compact switching tube for the low-voltage range.
  • control room can advantageously have a predetermined geometry.
  • Conventional tube housings can be used for this, which have a circular cross section in a known manner, or also housings which have a rectangular or square cross section. Such a cross section is not used in medium and high voltage tubes because of the associated field strength increases.
  • the latter rectangular housing can be produced in a simple manner.
  • the closing force can advantageously be reduced approximately to an nth.
  • AMF contacts are preferably used for high voltage and medium voltage, in which, in addition to the repulsive so-called “current forces,” attractive current loop forces act.
  • radial magnetic field contacts which have repulsive current loop forces are preferably used at low voltage. Under these conditions, large contact forces are necessary in the event of short-circuit currents in order to prevent contact separation before the switch lock is released.
  • the subdivision of the contacts into partial contacts offers the simple possibility of reducing the total contact forces required.
  • the contact force can thus be reduced in the low-voltage range in vacuum interrupters by the arrangements according to the invention of a plurality of radial magnetic field or plate contact pairs in a tube in the same way as in known air switches. Calculations within the scope of the invention have shown that the geometric dimensions of such tubes need not be larger than those which are equipped with a single contact.
  • Figure 1 shows the structure of a known from the prior art
  • FIG. 2 shows the top view of the control room from FIG. 1
  • FIG. 3 shows a control room corresponding to FIG. 2, which is equipped with four contact pairs
  • 4 shows a graphical representation to illustrate the achievable technical improvements as a function of the number of contacts when the tube is round
  • FIG. 5 shows a control room with a rectangular cross section, which is equipped with six pairs of contacts
  • FIG. 6 shows a graphical representation as in FIG Formation of the tube
  • Figure 7 to Figure 9 alternatives for the individual insulation between moving contact and fixed contact
  • FIG. 10 and 11 the common insulation between moving and fixed contacts with different designs of the fixed contacts and the means for lifting movement of the moving contacts and
  • FIG. 12 the improvement of the housing stability by means of reinforcing ribs.
  • a low-voltage vacuum interrupter consists of two hollow cylinders insulated from one another, the end faces of which are closed with metallic surfaces, so that an evacuable housing is formed.
  • the movable contacts are carried out through the end plate that closes off the cylindrical switching space by means of circular-cylindrical bellows or round shaft membrane disks. These each have a centrally arranged power supply bolt. The dimensioning of the membrane disks is described in detail in DE 199 10 148 AI.
  • the fixed contacts are connected to the other end face, in which their common outward current connection is integrated or to which this can be attached.
  • the switching tube 1 shown in FIG. 1 essentially consists of a cylinder 2 connected to it.
  • This structure is closed on both sides by metallic plates 5 and 6.
  • the switching tube 1 encloses a switching chamber 8, in which two switching contacts 10, 20 are arranged so as to be movable relative to one another.
  • the switching contacts 10 and 20 are of identical construction and are mirror images of each other and assume the switching function. In detail is
  • Switching contact 10 is designed as a fixed contact via a switching pin 11 and switching contact 20 is connected to the diaphragm bellows via pins 21 and 22 and is therefore movable.
  • the plan view according to FIG. 2 shows that there is a cylindrical control room between square base plates.
  • the control room 8 contains a pair of contacts with the contacts 10 and 20, with an all-round shielding being unnecessary in such an arrangement. This provides the prerequisites for a contact structure of the switching chamber and the contact arrangement located therein.
  • the switch contacts 10, 20 in FIG. 2 can be conventional plate contacts. However, they can also be designed as so-called radial field contacts, each with spiral-shaped slots that are assigned to one another in a mirror-image manner, as a result of which the switching capacity is correspondingly increased.
  • FIG. 3 shows a control room 8 within a cylinder jacket 2 with a diameter D, in which four circular contacts 10a, 10b, 10c and 10d are shown.
  • Each contact 10a to d has the radius r E , two adjacent contacts each having a distance e tangentially.
  • the circumference of the contacts 10a to 10d touch a circle with a radius d.
  • the diameter of a contact generally determines the switching capacity. For the geometric design of the contacts However, there must be sufficient insulation distances to the tube cylinder and other metallic parts. If the dimensioning information is taken into account in FIG. 3, it follows that the area covered by the contacts 10a to d is approximately 30% of the area of the control room 8. If the ring-shaped edge region with the width a is not taken into account and a surface contact with a diameter d is used as a comparison variable, the value is more than 45%, in particular with four contacts in FIG. 3, about 65%. This is carried out further below using relationships 4 and 8 to 10 for radial magnetic field contacts.
  • the number of contacts is plotted on the abscissa, whereas the ordinate alternatively plots the area utilization on the one hand and the switching switching capacity on the other.
  • a tube with a round cross-section is a prerequisite.
  • the graph 41 indicates the area utilization and the graph 43 the increase in switching power.
  • a contact number 1 assumes 100% use of the area, since the annular edge in the control room is not included in these considerations.
  • FIG . 5 shows a section of a rectangular housing 42 which has the internal dimensions S and T.
  • six round contacts 10a to 10f are arranged, each of which again has the radius r E , adjacent contacts being spaced apart by e.
  • a rectangle with dimensions t and s is enclosed by the external tangents to the individual round contacts 10a to 10f.
  • FIG. 5 compared to FIG. 3, there is a more favorable area occupancy of the contacts 10a to 10f in the available area of the control room 48. Taking into account the dimensioning information, the area occupancy is approximately 50%.
  • FIG. 6 shows a representation corresponding to FIG. 4 for a switch housing with a square or rectangular cross section.
  • Graph 61 shows the area utilization and graph 63 the switching capacity. The following apply relationships 4, 8 and 12 dealt with below for radial field contacts.
  • the insulation of the moving contacts from the fixed contacts can either be common for all contact pairs, that is to say as a ring in the housing, as described in DE 198 02 893 AI, or as individual insulation for each contact pair a housing face.
  • FIGS. 7 to 9 there are various possibilities for the individual insulation and for carrying out the lifting movement of the moving contacts 20a, 20b, ....
  • the elements are designated in accordance with FIG. 1.
  • a so-called wave membrane disc 44 is provided in FIGS. 8 and 9.
  • such a wave membrane disc 44 has the same function as the bellows 4, with the proviso that overall only minor stroke movements are possible.
  • these lower lifting movements are sufficient for the low voltage range.
  • the use of a wave membrane disc 44 is particularly advantageous because it allows the switching space to be flatter and the vacuum switch housing to be made more compact, as will become clear below, for example, from the comparison of FIGS. 10 and 11.
  • FIGS. 10 and 11 For the two alternatives of bellows and membrane bellows, the case of a common insulation ring is shown in FIGS. 10 and 11. It is essential here that the end faces 5 and 6 are designed essentially in accordance with FIG. 1 and the insulation ring 3 is interposed.
  • the insulator can consequently not only be circular, but also rectangular or square.
  • the fixed contact 10 is designed as a common plate contact, while the moving contacts 20a, 20b on the membrane bellows 44a, 44b are individual contacts, which are advantageously designed as radial magnetic field contacts. With such an arrangement, the switching capacity is not as high as that shown in FIG. 10. The reduction in contact force is retained.
  • the bellows or membrane disks of the movable individual contacts are connected directly to one end plate.
  • the radius r RMF of an individual contact should be in the range 20 mm ⁇ RMF ⁇ 30 mm (2).
  • the radius r P of a corresponding plate contact should be limited to 1 mm ⁇ r p ⁇ 20 mm (3) with regard to the switching capacity of the overall arrangement, which is determined both by the area of a pair of contacts and their number.
  • the smallest distance a between the individual contacts and the shield or the tube housing wall is ⁇ (0.10 ... 0.15) ⁇ (6)
  • the distance e between the individual contacts should, on the one hand, be as small as possible, so that arcing in all contact gaps is ensured quickly. Given the unavoidable fluctuations in the separation of the contact pairs, an arc initially arises in the gap between the contacts that opened last. The plasma flowing out of it should quickly reach the neighboring column so that arcs can also be ignited quickly and the total current divided into several pairs of individual contacts. Because of the increasing u (i) characteristic of the arc voltage of contracted vacuum arcs, the division into partial currents, the value of which is at least 15-20 kA, is guaranteed for instantaneous currents i above 20-30 kA.
  • e / 2r E should be around 5%.
  • several contacts can be arranged on a circumference in the center.
  • reinforcing ribs 45 can be fitted in the area between two pairs of switch contacts in order to increase the stability of the housing jacket 42. This is shown in detail in FIG. 12. According to Figure 11, the execution of the fixed contacts as a single common round or rectangular plate is possible.

Landscapes

  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)

Abstract

Bekannt sind für Niederspannungsanordnungen Vakuumgehäuse mit im Schaltraum angeordneten Kontakten, von denen wenigstens einer ein Festkontakt und wenigstens einer ein Bewegkontakt ist, welche beide ein Kontaktpaar bilden. Gemäss der Erfindung sind für die Anwendung im Niederspannungsbereich im Schalt-raum (8) des Gehäuses (1) mehrere Kontaktpaare (10a, 20a, ... bis 10f, 20f) vorhanden, die elektrisch einander parallelgeschaltet sind, wobei die von den Kontakten (10a - 10f; 20a - 21) eingenommene Fläche wenigstens 30% der Querschnittsfläche im Schaltraum (8, 48) einnimmt und wobei die Fläche der Kontakte (10a - 10f; 20a - 20f) bezogen auf die maximale Fläche bei einem einzigen Kontakt (10) wenigstens 45% beträgt. Es lässt sich somit eine Reduzierung der Kontaktkraft erreichen, die im Kurzschlussfall zur Gewährleistung eines selektiven Verhaltens gegenüber nachgeordneten Schaltern gegeben sein muss.

Description

Beschreibung
Vakuumsehaltröhre für hohe Kurzschlussströme
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumschaltröhre für hohe Kurzschlussströme, mit einem Vakuum-Gehäuse und darin angeordneten Kontakten, von denen wenigstens einer ein Festkontakt und wenigstens einer ein Bewegkontakt ist, wobei mehrere elektrisch einander parallelgeschaltete Kontaktpaare vorhan- den sind. Eine solche Vakuumschaltröhre ist Gegenstand der DE 26 00 305 AI, wobei dort Anwendungen im Mittelspannungsund Hochspannungsbereich vorgesehen sind. Für den Niederspannungsbereich ist die vorbekannte Schaltröhre nicht geeignet.
Niederspannungs-Vakuumschalter sollen bei hohen Strömen, die den Leistungsbereich bestimmen, einsetzbar und selektiv sein, wofür die Kontakte häufig als Radialfeldkontakte ausgebildet sind. Beim Einsatz von speziell Radialmagnetfeldkontakten tritt nicht nur die infolge des Stromflusses in der Strom- Übergangsstelle wirkende abstoßende Engekraft auf, sondern durch die Stromführung in den Kontakten kommt auch eine abstoßende Stromschleifenkraft zum Tragen. Damit bei Nieder- spannungs-Leistungsschaltern mit Vakuumschaltröhren auch für Kurzschlussströme oberhalb von 70 - 80 kA das selektive Ver- halten gewährleistet ist, sind beim Einsatz dieses Kontakttyps Schließkräfte von mehreren 10 kN notwendig. Da dies mit den herkömmlichen Schaltschlossauslegungen nur sehr schwer ausführbar ist, muss dieses Problem ähnlich wie bei herkömmlichen Niederspannungs-Luftschaltern gelöst werden, wo mehre- re Kontaktstellen vorhanden sind.
Zur Reduzierung der Kontaktschließkräfte, die für ein selektives Verhalten von Niederspannungs-Vakuumschaltern notwendig sind, wurde bereits der Einsatz biegsamer Kontakte vorge- schlagen, die mehrere Stromübergänge besitzen. Allerdings zeigen Untersuchungen, dass sich solche elastischen "Multi- kontakte" nur eingeschränkt und mit erheblichem Aufwand rea- lisieren lassen und daher der Einsatz mehrerer Einzelkontakte Vorteile bietet.
Ein Rahmen für die Abmessungen von Vakuumschaltröhren bei Niederspannungs-Anwendungen ist wegen der hierbei üblichen Polmittenabstände bei den verschiedenen Schalterbaugrößen gewissermaßen festgelegt. Er wird auch von den in den Patentdokumenten DE 198 02 893 A 1, DE 199 10 148 AI und WO 99/38181 AI beschriebenen Röhren eingehalten, die zzt. für Niederspannungs-Vakuumleistungsschalter eingesetzt werden.
Der Kontakt- und Innendurchmesser d bzw. D letzterer Röhren, die ein Spiralkontaktpaar besitzen, werden für dreiphasige Grenzkurzschlussströme im Bereich I = 50 - 150 kA und Netz- Spannungen bis 1000 V näherungsweise durch die Beziehungen
d D f = (0.88...0.92)r: bzw . = (1.20...1.24)1
[mm] [kA] [mm] [kA]
beschrieben.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vakuumschaltröhre zu schaffen, die für hohe Kurzschlussströme im Niederspannungsbereich geeignet ist und bei der trotz verringerter Kontaktschließkräfte im Kurzschlussfall eine Trennung der Kontakte vor der Entklinkung des Schaltschlosses vermieden wird.
Die Aufgabe ist bei einer Niederspannungs-Vakuumschaltröhre der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung gibt eine technische Lehre speziell für Niederspannungsvakuumschalter an, wobei zum Erreichen hoher Schalt- leistungen bei geringen Kontaktkräften Schaltkontakte dicht nebeneinander anordenbar sind. Erfindungsgemäß wird belegt, dass im Fall von Radialmagnetfeld- oder Plattenkontakten statt eines möglichst großen Schaltkontaktes - wie beim Stand der Technik - eine Mehrzahl kleinerer Schaltkontakte die Schaltleistung bei geringeren Kontaktkräften vergrößern, wo- bei insgesamt eine kompakte Schaltröhre für den Niederspannungsbereich geschaffen ist.
Mit der Erfindung ist also eine Schaltröhre realisiert, deren Schaltraum, ähnlich wie bei den in DE 198 02 893 AI, DE 199 10 848 AI und WO 99/38181 AI beschriebenen Röhren, kompakt ist, wobei im Gegensatz zu Mittel- und Hochspannungsröhren auf einen Schirm, der die Kontakte potentialfrei umschließt, verzichtet wird. Aus der DE 26 00 305 AI sind zwar für die Mittel- und Hochspannungsebene Vakuumschaltröhren mit mehreren in einem Röhrengehäuse parallel geschalteten Kontaktpaaren bekannt, die aber keinen Eingang in die Praxis gefunden haben.
Bei letzterer Anordnung beträgt die Flächenausnutzung des Schaltraumquerschnittes ca. 10%. Im Rahmen der Erfindung ist demgegenüber ein unterer Grenzwert von etwa 30% erreicht, was einer beachtlichen Erhöhung mit entsprechender Verbesserung der Schaltleistung entspricht. Wenn man statt von Schaltraumquerschnitt von der für die Kontakte zur Verfügung stehenden Fläche ausgeht, ergibt sich ein Grenzwert von ca. 45%, wobei im Rahmen der Erfindung Flächenbelegungen zwischen 60% und 80% erreicht werden. Der Schaltraum kann vorteilhafterweise eine vorgegebene Geometrie aufweisen. Dafür können übliche Röhrengehäuse verwendet werden, die in bekannter Weise einen kreisrunden Querschnitt haben, oder aber auch Gehäuse, die einen rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt haben. Bei Mittel- und Hochspannungsröhren wird ein solcher Querschnitt wegen den damit verbundenen Feldstärkeerhöhungen nicht verwendet. Letztere rechteckförmige Gehäuse lassen sich in einfacher Weise herstellen. Bei der Erfindung kann durch die Benützung von n parallel nebeneinander in einer Schaltkammer angeordneten Kontaktpaaren vorteilhafterweise die Schließkraft näherungsweise auf ein n-tel reduziert werden.
Beim Stand der Technik werden für Hochspannung und Mittelspannung vorzugsweise AMF-Kontakte verwendet, bei denen zusätzlich neben den abstoßenden sog. „Stromenge^kräften anziehende Stromschleifenkräfte wirken. Dagegen werden bei Nieder- Spannung vorzugsweise Radialmagnetfeldkontakte eingesetzt, die abstoßende Stromschleifenkräfte besitzen. Unter diesen Bedingungen sind bei Kurzschlussströmen große Kontaktkräfte notwendig, um eine Kontakttrennung vor der Entklinkung des Schaltschlosses zu verhindern. Hier bietet die Unterteilung der Kontakte in Teilkontakte die einfache Möglichkeit, die insgesamt notwendigen Kontaktkräfte zu reduzieren.
Mit der Erfindung kann also im Niederspannungsbereich bei Vakuumschaltröhren durch die erfindungsgemäßen Anordnungen von mehreren Radialmagnetfeld- oder Plattenkontaktpaaren in einer Röhre die Kontaktkraft in gleicher Weise wie bei bekannten Luftschaltern reduziert werden. Berechnungen im Rahmen der Erfindung haben ergeben, dass dabei die geometrischen Abmessungen solcher Röhren nicht größer zu sein brauchen als von solchen, die mit einem einzigen Kontakt bestückt sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan- Sprüchen. Es zeigen jeweils in Schnittdarstellung
Figur 1 den Aufbau einer vom Stand der Technik bekannten
Niede spannungs-Vakuumsehaltröhre, Figur 2 die Draufsicht auf den Schaltraum aus Figur 1, Figur 3 einen Schaltraum entsprechend Figur 2, der mit vier Kontaktpaaren bestückt ist, Figur 4 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung der erreichbaren technischen Verbesserungen in Abhängigkeit von der Kontaktzahl bei runder Ausbildung der Röhre, Figur 5 einen Schaltraum mit rechteckförmigem Querschnitt, der mit sechs Kontaktpaaren bestückt ist, Figur 6 eine graphische Darstellung wie in Figur 4 speziell für eine rechteckige Ausbildung der Röhre, Figur 7 bis Figur 9 Alternativen für die Einzelisolation zwischen Bewegkontakt und Festkontakt,
Figur 10 und Figur 11 die gemeinsame Isolation zwischen Beweg- und Festkontakten bei unterschiedlicher Ausführung der Festkontakte sowie der Mittel zur Hubbewegung der Bewegkontakte und Figur 12 die Verbesserung der Gehäusestabilität durch Verstärkungsrippen .
In den Figuren haben gleiche bzw. gleich wirkende Teile gleiche bzw. sich entsprechende Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.
Eine Niederspannungs-Vakuumschaltröhre besteht bekanntermaßen aus zwei gegeneinander isolierten Hohlzylindern, deren Stirnseiten mit metallischen Flächen verschlossen sind, so dass ein evakuierbares Gehäuse gebildet ist. Die Durchführung der beweglichen Kontakte durch die eine den zylindrischen Schaltraum abschließende Stirnplatte erfolgt mittels kreiszylindrischer Faltenbälge oder runder Wellenmembranscheiben. Diese besitzen jeweils einen zentrisch angeordneten Stromzu- führungsbolzen. Die Dimensionierung der Membranscheiben wird in der DE 199 10 148 AI ausführlich beschrieben. Die Festkontakte sind mit der anderen Stirnfläche verbunden, in die auch ihr gemeinsamer nach außen abgehender Strom-Anschluss integriert ist oder an der dieser befestigt werden kann.
Speziell die in Figur 1 dargestellte Schaltröhre 1 besteht im Wesentlichen aus einem Zylinder 2 mit sich daran anschließen- der Ringzylinderisolierung 3 und metallisch-zylindrischem Faltenbalg 4, die jeweils vakuumdicht miteinander verbunden sind. Dieses Gebilde wird beidseitig durch metallische Platten 5 und 6 abgeschlossen.
Die Schaltröhre 1 gemäß Figur 1 umschließt eine Schaltkammer 8, in der zwei Schaltkontakte 10, 20 relativ gegeneinander beweglich angeordnet sind. Die Schaltkontakte 10 und 20 sind identisch aufgebaut und spiegelbildlich gegeneinander gerich- tet und übernehmen die Schaltfunktion. Im Einzelnen ist
Schaltkontakt 10 über einen Schaltbolzen 11 als Festkontakt ausgebildet und Schaltkontakt 20 über Bolzen 21 und 22 mit dem Membranbalg verbunden und somit beweglich. Dabei zeigt die Draufsicht gemäß Figur 2, dass zwischen quadratischen Grundplatten sich ein zylindrischer Schaltraum befindet. Der Schaltraum 8 beinhaltet ein Kontaktpaar mit den Kontakten 10 und 20, wobei bei einer solchen Anordnung eine umlaufende Abschirmung unnötig ist. Damit sind die Voraussetzungen für einen kontakten Aufbau der Schaltkammer und darin befindlicher Kontaktanordnung gegeben.
Die Schaltkontakte 10, 20 in Figur 2 können übliche Plattenkontakte sein. Sie können aber auch als sogenannte Radialfeldkontakte mit jeweils einander spiegelbildlich zugeordne- ten spiralförmigen Schlitzen ausgebildet sein, wodurch das Schaltvermögen entsprechend erhöht wird.
In Figur 3 ist ein Schaltraum 8 innerhalb eines Zylindermantels 2 mit Durchmesser D dargestellt, bei dem vier kreisför- mig ausgebildete Kontakte 10a, 10b, 10c und lOd dargestellt sind. Dabei hat jeder Kontakt 10a bis d den Radius rE, wobei jeweils zwei benachbarte Kontakte tangential einen Abstand e haben. Die Kontakte 10a bis lOd berühren mit ihrem Umfang einen Kreis mit Radius d.
Der Durchmesser eines Kontaktes bestimmt im Allgemeinen das Schaltvermögen. Für die geometrische Auslegung der Kontakte müssen dabei aber hinreichende Isolierstrecken zum Röhrenzylinder und anderen metallischen Teilen vorhanden sein. Sofern in Figur 3 die Di ensionierungsangaben berücksichtigt werden, ergibt sich, dass die von den Kontakten 10a bis d überdeckte Fläche in etwa 30% der Fläche des Schaltraumes 8 beträgt. Berücksichtigt man den ringförmigen Randbereich mit der Breite a nicht und verwendet als Vergleichsgröße einen Flächenkontakt mit Durchmesser d, liegt der Wert bei mehr als 45%, insbesondere bei vier Kontakten in Figur 3 bei ca. 65%. Dies wird weiter unten anhand der Beziehungen 4 sowie 8 bis 10 im Einzelnen für Radialmagnetfeldkontakte ausgeführt.
In der graphischen Darstellung gemäß Figur 4 ist auf der Abszisse die Kontaktzahl aufgetragen, wogegen auf der Ordinate alternativ die Flächenausnutzung einerseits und die Schaltun- terschaltleistungsvermögen andererseits aufgetragen sind. Als Randbedingung wird eine Röhre mit rundem Querschnitt vorausgesetzt. In der Figur 4 kennzeichnet der Graph 41 die Flächenausnutzung und der Graph 43 die Schaltleistungserhöhung. Bei der Flächenausnutzung wird bei einer Kontaktzahl 1 von einer 100%igen Flächenausnutzung ausgegangen, da bei diesen Betrachtungen der ringförmige Rand im Schaltraum nicht einbezogen wird.
Der Figur 4 ist entnehmbar, dass zunächst bei Verdoppelung der Kontaktzahl die Schaltleistung verringert wird, was dadurch erklärt wird, dass in einen runden Querschnitt zwei kleinere sich berührende runde Querschnitte die Fläche schlecht ausnutzen. Mit Erhöhung auf drei und mehr Kontakte steigt jedoch die Flächenausnutzung, bis insbesondere zu einem Wert von etwa 0,7 für sieben Kontakte, da bei einer Anordnung mit sechs Kontakten auf einem Kreisumfang ein zusätzlicher Kontakt in der Kreismitte angeordnet werden kann. Anschließend sinkt die Flächenausnutzung mit höheren Kontakt- zahlen wieder, wobei sich bei Anordnungen mit mehr als 10
Kontakten durch Innenbelegung Zwischenmaxima ergeben können, was in Figur 4 nicht ausgeführt ist. Die Schaltleistung steigt kontinuierlich an und zwar verdoppelt sie sich wenigstens in jedem Fall, um dann asymptotisch in einen Grenzwert einzulaufen.
Es ist ersichtlich, dass mit der Anordnung mit vier Kontaktpaaren, die elektrisch jeweils parallelgeschaltet sind, ein höheres Schaltvermögen als die Kontaktanordnung mit einem einzigen Kontaktpaar 10, 20 gemäß Figur 1 erzielt werden kann, wenn die Summe der Durchmesser der Einzelkontaktpaare größer als der Durchmesser der Anordnung mit einem Kontaktpaar ist. Insbesondere ist aber mit einer derartigen Anordnung eine Reduzierung der Kontaktkraft, die im Kurzschlussfall zur Gewährleistung eines selektiven Verhaltens gegeben sein uss, gegeben. Beim Stand der Technik wurde die Schalt- leistung bereits dadurch begrenzt, da es in der Praxis nicht möglich ist, Kontakte mit einem Durchmesser von beispielsweise d zu realisieren.
In der Figur' 5 ist ein Schnitt eines Rechteckgehäuses 42 dar- gestellt, der die Innenmaße S und T hat. In dem vom Rechteckgehäuse 42 eingeschlossenen Raum 48 sind sechs Rundkontakte 10a bis lOf angeordnet, welche jeweils wieder den Radius rE haben, wobei benachbarte Kontakte jeweils mit e beabstandet sind. Von den Außentangenten an die einzelnen Rundkontakte 10a bis lOf wird ein Rechteck mit Abmaßen t und s eingeschlossen.
Bei Figur 5 ergibt sich im Vergleich zu Figur 3 eine günstigere Flächenbelegung der Kontakte 10a bis lOf in der zur Ver- fügung stehenden Fläche des Schaltraumes 48. Bei Berücksichtigung der Dimensionierungsangaben ergibt sich ein Wert der Flächenbelegung von etwa 50%.
In der Figur 6 ist eine der Figur 4 entsprechende Darstellung für ein Schaltgehäuse mit quadratischem bzw. rechteckigem Querschnitt dargestellt. Graph 61 kennzeichnet die Flächen- ausnutzung und Graph 63 die Schaltleistung. Es gelten im Ein- zelnen die weiter unten abgehandelten Beziehungen 4, 8 und 12 für Radialfeldkontakte.
Aus Figur 6 ist erkennbar, dass die Flächenausnutzung im Prinzip ausgehend von der Kontaktzahl 1 stetig fällt, was dadurch erklärbar ist, dass beispielsweise eine quadratische Fläche durch einen Rundkontakt optimal ausfüllbar ist. Bei mehreren kleineren Kontakten muss jedoch jeweils ein Freiraum zwischen den Kontakten berücksichtigt werden, der demzufolge mit dem Ansteigen der Kontaktzahl diesen proportionalen Wert einnimmt und die Flächenausnutzung verkleinert. Trotzdem steigt die Schaltleistung kontinuierlich auf höhere Werte und kann sich beispielsweise vom Übergang von der Kontaktpaarzahl 1 auf eine Kontaktpaarzahl 10 fast verdreifachen.
Die Isolation der Bewegkontakte gegenüber den Festkontakten kann bei Anordnungen gemäß Figur 3 und Figur 5 entweder gemeinsam für alle Kontaktpaare, also als Ring im Gehäuse, wie es in der DE 198 02 893 AI beschrieben wird, oder als Einzel- isolationen für jedes Kontaktpaar, in einer Gehäusestirnfläche erfolgen.
Aus den Figuren 7 bis 9 ergeben sich verschiedene Möglichkeiten der Einzelisolationen und zur Durchführung der Hubbewe- gung der Bewegkontakte 20a, 20b, ... . Dabei sind die Elemente entsprechend Figur 1 bezeichnet. Als Alternative zum Faltenbalg 4 entsprechend Figur 1 ist dabei in den Figuren 8 und 9 eine sogenannte Wellenmembranscheibe 44 vorgesehen. Eine solche Wellenmembranscheibe 44 hat im Prinzip die gleiche Funktion wie der Faltenbalg 4 mit der Maßgabe, dass insgesamt nur geringere Hubbewegungen möglich sind. Diese geringeren Hubbewegungen sind aber für den Niederspannungsbereich hinreichend. Der Einsatz einer Wellenmembranscheibe 44 ist insbesondere auch deshalb vorteilhaft, weil damit der Schaltraum flacher und somit das Vakuumschaltergehäuse kompakter ausgebildet werden kann, was weiter unten beispielsweise aus dem Vergleich von Figur 10 und Figur 11 deutlich wird. Für die beiden Alternativen von Faltenbalg und Membranbalg ist in den Figuren 10 und 11 der Fall eines gemeinsamen Isolationsringes dargestellt. Wesentlich ist hier, dass die Stirnflächen 5 und 6 im Wesentlichen entsprechend Figur 1 ausgebildet sind und der Isolationsring 3 dazwischengeschal- tet ist. Auf Grund der in den Figuren 10 und 11 alternativ rund oder rechteckig möglichen Röhrenformen kann demzufolge der Isolator nicht nur kreisförmig, sondern auch rechteckig oder quadratisch ausgelegt sein. Speziell in Figur 11 ist da- bei der Festkontakt 10 als ein gemeinsamer Plattenkontakt ausgebildet, während die Bewegkontakte 20a, 20b an den Membranbälgen 44a, 44b Einzelkontakte sind, die vorteilhafterweise als Radialmagnetfeldkontakte ausgebildet sind. Bei einer solchen Anordnung fällt zwar die Schaltleistung nicht so hoch aus wie Figur 10. Die Reduzierung der Kontaktkraft bleibt a- ber erhalten.
Im Falle von Röhren mit einem einzigen ringförmigen Isolator sind die Faltenbälge oder Membranscheiben der beweglichen Einzelkontakte direkt mit der einen Stirnplatte verbunden.
Im Falle von Radialmagnetfeldkontakten, die vorzugsweise als Spiralkontakte auszulegen sind, sollte der Radius rRMF eines Einzelkontaktes dabei im Bereich 20 mm <ΓRMF < 30 mm (2) liegen. Der Radius rP eines entsprechenden Plattenkontaktes sollte im Hinblick auf das Schaltvermögen der Gesamtanordnung, das sowohl durch die Fläche eines Kontaktpaares als auch deren Anzahl bestimmt wird, auf 1 mm ≤ rp ≤ 20 mm (3) beschränkt bleiben.
Unter Berücksichtigung von Unsymmetrien bei der Stromaufteilung lässt sich nach vorliegenden Untersuchungen das anteili- ge dreiphasige Schaltvermögen Δl eines Einzelkontaktes bei Radialmagnetfeldkontakten mit ΔIRMF _ = Λ 1.80 ΓRMF
[kA] [mm] und bei Plattenkontakten mit
ΔIT
[kA] [mm] angeben. Bei allen Ausführungsformen der Röhren ist der kleinste Abstand a zwischen den Einzelkontakten und dem Schirm bzw. der Röhrengehäusewand durch α (0.10...0.15)^ (6)
[mm] [kA] gegeben, wobei allerdings die Bedingung a > 8 mm (7 ) erfüllt sein sollte.
Der Abstand e zwischen den Einzelkontakten sollte zum einen möglichst klein sein, damit ein rasches Zünden von Lichtbögen in allen Kontaktspalten gewährleistet ist. Bei den unvermeid- baren zeitlichen Schwankungen in der Trennung der Kontaktpaare entsteht zunächst im Spalt der zuletzt öffnenden Kontakte ein Lichtbogen. Das von ihm abströmende Plasma soll rasch in die Nachbarspalte gelangen, damit es dort ebenfalls rasch zum Zünden von Lichtbögen und damit die Aufteilung des Gesamt- stro s auf mehrere Einzelkontaktpaare kommt. Wegen der steigenden u (i) -Charakteristik der Lichtbogenspannung von kontrahierten Vakuumlichtbögen ist die Aufteilung in Teilströme, deren Wert bei mindestens 15- 20 kA liegt, für Momentanströme i oberhalb von 20 - 30 kA gewährleistet.
Zum anderen muss dieser Abstand e aber auch so groß sein, dass sich die Kontakte wegen ihrer im Laufe der Zeit entstehenden AufSchmelzungen am Rand gegenseitig nicht berühren und sich so in ihrer Öffnungsbewegung behindern können. Auf Grund vorliegender Erfahrungswerte sollte e deshalb typischerweise bei e = 2...5mm -■ (8) liegen ,
Für das in (2) angegebene Intervall für den Radius von Magnetfeldkontakten ergibt sich aus (8):
e (2*rRM) = 3.3 12.5% (8a)
Typischerweise sollte ein Wert
e/(2*rFMF) = 6% :8b)
Sind in den runden Röhren n > 3 Einzelkontaktpaare mit einem Radius rE anzuordnen, so ist dazu ein kreisförmiges Gebiet mit dem Durchmesser d
Figure imgf000014_0001
notwendig.
Zu beachten ist, dass für d
-3 rE-e>0 (10)
ein zusätzlicher Kontakt im Zentrum der Röhre angebracht werden kann, und dass für den Innendurchmesser D dieser Röhre gilt:
D=d+2 a. (11)
Aufgrund der Dimensionierungsangaben sollte e/2rE bei etwa 5% liegen. Selbstverständlich können bei einer Vielzahl kleiner Kontakte auf einem Kreisumfang im Zentrum mehrere Kontakte angeordnet werden.
Sollen in einer rechteckigen Röhrenkonfigurationen nach Figur 5 die Einzelkontaktpaare, die einen Radius rE aufweisen, so Sollen in einer rechteckigen Röhrenkonfigurationen nach Figur 5 die Einzelkontaktpaare, die einen Radius rE aufweisen, so angeordnet sein, dass in Längsrichtung p und in Querrichtung q Kontakte liegen, dann weist das hierfür notwendige Gebiet die Abmessungen s = 2-p-rE +(p-l)e bzw. t = 2-q rE +(q-l) e (12) auf. Die Innenmaße der Schaltkammer ergeben sich dann zu: S = 2 p rE+(p-l)e+2-a bzw. T = 2-q-rE +(q-l)-e+2-a (13)
Der Vollständigkeit halber ist zu erwähnen, dass speziell der Fall des quadratischen Röhrenquerschnitts sich aus dem rechteckigen Schaltraum entsprechend Figur 5 bei Einsetzen von p = q in den letzten beiden Beziehungen ergibt. Daneben bieten sich im Hinblick auf Niederspannungs-Leistungsschalter mit Nennstromstärken von mehreren kA insbesondere auch einreihige Anordnungen an.
Bei den Röhren mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt können zur Vergrößerung der Stabilität des Gehäuse- mantels 42 im Gebiet zwischen zwei Schaltkontaktpaaren Verstärkungsrippen 45 angebracht werden. Dies ist im Einzelnen in Figur 12 dargestellt. Entsprechend Figur 11 ist auch hier die Ausführung der Festkontakte als eine einzige gemeinsame runde oder rechteckige Platte möglich.
Insgesamt ergibt sich anhand der in den einzelnen Figuren dargestellten und beschriebenen Beispielen, dass durch die Aufteilung der Kontakte in parallele Teilkontakte eine Erhöhung der Schaltleistung und insbesondere eine Reduzierung der Kontaktkraft bei kompakten Aufbau des Schaltröhrengehäuses erreicht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vakuumschaltröhre für hohe Kurzschlussströme, mit einem Vakuum-Gehäuse und darin angeordneten, gegeneinander isolier- ten Kontakten, von denen wenigstens einer ein Festkontakt und wenigstens einer ein Bewegkontakt ist, wobei mehrere elektrisch zueinander parallelgeschaltete Kontaktpaare vorhanden sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Anwendung im Niederspannungsbereich die von den Kontakten (10a - lOf; 20a - 20e) im Gehäuse (1) eingenommene Fläche mindestens 30% der Querschnittsfläche im Schaltraum (8, 48) einnimmt und dass die Fläche der Kontakte (10a - lOf; 20a - 20f) bezogen auf die maximale Fläche bei einem einzigen Kontakt (10) wenigstens 45% beträgt.
2. Vakuumschaltröhre 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 der Schaltraum (8) einen runden Querschnitt besitzt und dass bei einem Schaltraum (8) mit rundem Querschnitt eine Flächenausnutzung von 60 bis 70% gewählt ist.
3. Vakuumschaltröhre 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 der Schaltraum (48) einen rechteckigen Querschnitt besitzt und dass bei einem Schalt- räum mit rechteckigem, insbesondere quadratischem, Querschnitt, eine Flächenausnutzung von 90 bis 70% gewählt ist.
4. Vakuumschaltröhre 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 Kon- taktpaare (10a, 20a; ... ; lOf, 20f) Radialmagnetfeldkontakte enthalten.
5. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kon- taktpaare (10a, 20a; ...; lOf, 20f) Plattenkontakte enthalten.
6. Vakuumschaltröhre 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 Radialmagnetfeldkontakte Spiralkontakte sind, für deren Radius (RRMF) gilt:
Figure imgf000017_0001
7. Vakuumschaltröhre 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 der Plattenkontakt einen Radius (rp) hat, der im Bereich:
10 mm < rp < 17,5 mm liegt.
8. Vakuumschaltröhre 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 einen runden Querschnitt des Schaltraums (8) Einzelkontaktpaare (10a, 20a, ... lOf, 20f) mit vorgegebenem Radius (rE) vorhanden sind, wobei für den gesamten Durchmesser (d)
Figure imgf000017_0002
gilt, wobei
e = (2...5)mm und n > 3 (8) ist.
9. Vakuumschaltröhre 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 einen rechteckigen Querschnitt (42) des Schaltraums (48) die Beziehungen gelten:
s = = 2p ■ ■ rE +(p-l) • • e (12a) t = = 2q ■ ■ rE +(q-l) • e (12b) wobei p und q die Abmaße des von den Kontakten (10a - lOf; 20a - 20f) eingenommenen Rechteckes und e der Abstand zwei benachbarter Kontakte (10 bis lOf) bedeuten.
10. Vakuumschaltröhre 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 Festkontakte eine einzige gemeinsame runde oder recht¬ eckige Platte (1) bilden. (Figur 11)
11. Vakuumschaltröhre 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 zur Stabilitätsvergrößerung das Gehäuse (42) im Gebiet zwischen zwei Schaltkontaktpaaren (10a, 20a; ...; lOf, 20f) Verstärkungsrippen (45) aufweist.
12. Vakuumschaltröhre 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 für die Hubbewegung der Bewegkontakte (10a, ... lOf) Faltenbälge (4) vorhanden sind.
13. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für die Hubbewegung der Bewegkontakte (20a - 20f) Wellenmembranscheiben (44) vorhanden sind.
14. Vakuumschaltröhre 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 Kontaktpaare (10a -lOf; 20a -20f) durch jeweils eine Ein- zelisolation (3) gegeneinander isoliert sind.
15. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einzelisolierung (3) sich zwischen Falten- oder Membranbalg (4, 44) und der Gehäusestirnfläche (5) befindet.
16. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einzelisolierung (3) sich zwischen Falten- oder Membranbalg (4, 44) und dem beweglichen Schaltbolzen (21) befindet.
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