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Schaltstückanordnung für Niederspannungs-Vakuumschütze
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Anendungsgebiet der Erfindung: Die Erfindung betrifft eine Schaltstückanordnung
für Niederspannungs-Vakuumschütze mit einem Nennstrombereich bis etwa 630 A, die
eine sehr hohe Schaltstucklebensdauer aufweisen soll. Derartige Vakuumschütze werden
hauptsächlich zum Schalten von Motoren und ähnlichen Verbrauchern eingesetzt.
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Im Gegensatz zu einem Vakuum-Leistungsschalter, der eine um Größenordnungen
kleinere elektrische und mechanische Bebensdauer aufweist, aber um Größenordnungen
höhere Ströme, d.h.
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Kurzschlußströme, zu beherrschen hat, besteht das Hauptkriterium eines
Niederspannungs-Vakuumschützes im Erreichen einer sehr hohen Schaltstücklebensdauer
ohne Wartung und Auswechslung der Schaltstücke.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Niederspannungs-Vakuumschütze
erreichen diese hohle Schaltstücklebensdauer insbesondere durch Ausnutzen der hierfür
besonders günstigen Eigenschaften des spezifischen Vakuum-Lichtbogens (Typ A), der
mit der Existenz von parallelen Katodenfußpunkten, ohne ausgeprägten Anodenfußpunkt
und ohne Kontraktion des Anodenansatzes verbunden ist. Hierdurch tritt ein sehr
niedriger Materialabbrand an der Katode und ein Materialgewinn an der Anode auf,
der die Schaltstücklebensdauer wesentlich beeinflußt. Der Existenzbereich des spezifischen
Vakuum-Lichtbogens Typ A wird dabei neben der Stromhöhe vor allem durch die Auswahl
eines geeigneten Schaltetückmaterials. dem Ausnutzen des
maximal
möglichen Kammerinnendruckes und der Schaltstückdimensionierung bestimmt.
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Nach bekannten Untersuchungen sinkt der Abbrand an der Katode bzw.
in den parallelen Katodenfußpunkten des spezifischen Vakuum-Lichtbogens Tgp A mit
steigendem Druck (DL-PS 106 407).
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Unter dem Gesichtspunkt einer höheren Lebensdauer wäre e-; sinnvoll,
den Druck im Kontaktspalt während der Lichtbogendauer zu erhöhen. Hierfür sind aber
die tür Niederspannungs-Vakuumschütze bekannten scheibenförmigen Schaltstückanordnungen
nicht geeig net.
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Weiter kommt es darauf an, den Austritt vom Kontaktmaterialdampf aus
dem Kontaktspalt vollkommen zu verhindern, zumindest aber auf ein ungefährliches
Maß herabzusetzen, um einen großen Anteil des verdampfren Kontaktmateriais für weitere
Schaltungen zurückzugewinnen und die Isolierstrecke der Vakuumschaltkausel vor einer
Belegung durch Metalldampf zu schützen. Nach ausführlochen Untersuchungen tritt
etwa 50 % des an der Katode verdampften Kontaktmaterials aus dem Kontaktspalt der
bekannten scheibenförmigen Scialtstückanordnung heraus, kondensiert an der Schirm
bzw. anderen Innenflächen der Schaltkammern und eht ait für weitere Schaltvorgänge
verloren bzw. führt zu einer Belegung und damit Überbrückung der Isolierstrecke.
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Für Hochspannungs-Vakuum-Leistungsschalter sind bereits Schaltstückanerdnungen
bekannt, die von der üblichen Scheibenform der Schaltstücke abweichen. Diese Schaltstücke
sind jedoch ihrem spezifischen Verwendungszweck nach für Vakuumschaltkammern zum
Schalten von Kurzschlußströmen (Strom > 5 kA, Vakuumlichtbogen Typ B) geeignet,
bei denen der spezifische Vakuumiichtbogen Typ A nicht mehr existiert. Der sich
dann einstellende und dem Hochdruckbogen ähnliche Vakuumlichtbogen Typ B mit ausgeprägtem
Binzelanoden- und Katodenfußpunkt verlangt eine andere Ausbildung und Dimensionierung
der Kontaktanordnungk. Bei diesen Strömen und dieser Form des Vakuumlichtbogens
ist es unbedingt erforderlich, ein Verharren des ausgeprägten Anoden- und Katodenfußpunktes
bzw. der ausgeprägten Lichtbogonsäule zu verhindern, eine schnelle Bewegung dieses
Bogens zu erzwingen, ihr.
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von der eigentlichen Kontaktstelle zu entfernen, um damit die Abschaltfähigkeit
zu erhalten und einen zu großen Materialabbrand zu vermelden, der wiederum zu einem
Versagen der AbschGltung und zu einem Wiederzünden des Lichtbogens durch eine zu
hohe Metalldampfdichte führen würde.
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So sind Schaltstückanordnungen bekannt (z.B. DT-PS 1 195 026, SIJ-PS
19 659), bei denen der Lichtbogen von der eigentlichen Entstehungs- bzw. Kontaktstelle
durch ein Magnetfeld aus einem konisch ausainanderlaufenden Zylinder in einen geschlossenen
Zylinder getrieben und zur Rotation gezwungen wird.
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Ähnliches bezweckt die bekannte Anordnung nach der US-PS 3 356 818,
bei der der Lichtbogen besonders von der eigentlichen Kontaktstelle durch nicht
näher beschriebene tEittel fortbewegt wird und zwischen den Wänden der erst zylinder-
und dann kegelförmig ausgebildeten und ineinandergreifenden Kontaktstücke brennt.
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Dies gilt ebenso für die Schaltstückanordnung nach der DL-PS 96 801,
die zum Abschalten sehr großer Ströme geeignet ist und bei der ebenfalls durch verschiedene
Maßnahmen die ausgeprägte Lichtbogensäule des Vakuumbogens Typ B zwischen den Wänden
mit zwei koaxial ineinander geschachtelten Topfschaltstücken brennen sollen.
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In weiterer Verbesserung dieser Anordnung sind durch die DL-PS 11?
190 weitere Maßnahmen bekannt, mit denen der Lichtbogen von dem sogenannten Nennstrombereich,
der den Boden des Kontakttopfes bildet, in die zwischen den Topfwänden liegenden
Abbrandbereiche getrieben wird.
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Diese Anordnungen bringen noch keine dem Gedankon der Erfindung nützliche
Lösung, da diese Anordnungen zum Schalten sehr großer Kurzschlußströme vorgesehen
sind, in ihnen der Lichtbogen durch verschiedene Mittel aus dem Kontaktspalt herausgetrieben
wird, der Kontakt-Materialdampf sich in der Kammer in einem für hohe Schaitzahlen
unzulässigen Maße ausbreiten kann und für Kontaktanordnungen für NiederspannungsVakuumschütze
für den vorgesehenen Strombereich zu aufwendig sind und nicht die gewünschte Lebensdauererhöhung
bringen können.
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Ziel der Erfindung: Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Schaltstücklebensdauer
als bestimmender Faktor für die Lebensdauer des genannten Vakuumschützes.
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Darlegung des Wesens der Erfindung: Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, die Schaltstücke derart auszubilden, daß der Austritt von Metalldampf
cus dem Kontaktspalt weitestgehend verringert wird und das verdampfte Yontaktmaterial
sich wieder an den Schaltstücken anlagert.
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Erfindungsgemäß sind hierzu die beiden Schaltstücke in an sich bekannter
Weise als ineinandergreifende Töpfe ausgebildet. Die Stirnseiten der Töpfe bestehen
aus dem eigentlichen Konteatmaterial und die zylindrischen Wände bestehen aus einen
Material, das für den spezifischen Vakuumbogen gegenüber dem eigentlichen Kontaktmaterial
ungünstigere Existenzbedingungen, z.B.
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höhere Lichtbegenspannung, aufweist. Die Schaltstücke sind hierbei
so ausgebildet, daß der Abstand zwischen den beiden zylindrischen Wänden Cer Schaltstücke
gleich c ier kleiner der maximalen Kontaktöffnung ist.
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In Weiterführung des Erfindungsgedankens ist der obere Rand des inneren
Schaltstückes über den Rand des äußeren Schaltstückes abgekröpft und die zylindrische
Wand des äußeren Schaltstückes weist im Bereich des Kontaktspaltes eine Ausbuchtung
zur Materialanlagerung auf.
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Bei einer anderen Variante ist das innere Schaltstück scheibenförmig
ausgebildet, und die zylindrische Wand umgreift das scheibenförmige Schaltstück
topfförmig.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, die zylindrischen Wände der Schaltstücke
aus einem Material mit für den Kontaktmaterialdampf günstigen Kondensationsbedingungen
herzustellen.
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Ausführungsbeispiel: Anhand eines Ausfiffirungsbeispiels wird die
Erfindung nüher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1s die Schaltstückanordnung im schnitt
Fig. 2: die Abkröpfung der inneren Schaltstückwandung Fig. 3 u. 4: Ausbildungen
der äußeren Schaltstückwandung An den in einem Vakuumgehäuse angeordneten Elektroden
1 2 sind das ieste Schaltstück 3 und das bewegliche Schaltstück 4 befestigt. Die
Schaltstücke 3;4 sind hierbei topfförmig ausgebildet und greifen mit ihren zylindrischen
Wänden 5;6 ineinander. Die Stirnseiten der topfförmigen Schaltstücke 3;4 bestehen
aus dem eigentlichen Kontaktmaterial, z.B. Cu oder MoCu, und die Wände 5;6 aus einem
billigeren und für den Vakuumlichtbogen ungünstigere Existenzbedingungen aufweisenden
Material, z.B. Fe, Fe-Ni. Weiterhin ist es vorteilhaft, für die zylindrischen Wände
5;6 ein Material mit einem guten E.ondensationsverhalten für den Kontaktmaterialdampf
einzusetzen. Die zylindrischen Wände 5;o sind in einfachster Form durch Aufschrumpfen
an den scheibenförmigen Stirnseiten der Schaltstücke befestigt und weisen einen
sehr kleinen Abstand 7, der gleich oder kleiner der maximalen Kontaktöffnung ist,
vorzugsweise 1 - 3 mm, auf.
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Eine weitere Verringerung des Materialaustritts aus dem Kontaktspalt
8 wird erreicht, wenn der obere Rand des inneren Schaltstückes 6 nach außen über
die Wand des äußeren Schaltstückes 5 abgekröpft ist (Fig. 2) bzw. die Wand 5 des
äußeren Schaltstückes 3 Ausbuchtengen 9 im Bereich des Kontaktspaltes 8 aufweist
(Fig. 3). Das untere Schaltstück 4 kann auch scheibenförmig ausgebildet sein, und
die Wand umgreift das scheibenförmige Schaltstück 3 topfförmig und bildet hierbei
den Spalt 10. Die topfförmige Wand 5 ist hierbei an der Elektrode 2 befestigt (Fig.
4).
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltstückanordnung wird gegenüber den
bekannten und für anders Einsatzzwecke und andere Lichtbogencharakteristika ausgebildete
Schaltstückanordnungen erreicht, daß - die parallelen Katodelifußpunkte und damit
die Teillichtbögen in dem engen Kontaktspalt 8 bleiben und durch den entstehenden
größeren
Druck im Kontaktspalt während der Entladung ein geringerer Abbrand entsteht, ein
wesentlich größerer Anteil von Kontaktmaterialdampf nicht mehr aus dem Kontaktspalt
8 heraustritt, an der jeweiligen Anode (Schaltstück 3;4) niedergeschlagen wird und
damit für weitere Schaltungen wiedergewonnen werden kann; - durch die größere Kondensationsfläche
der Kontaktmaterialdampf insgesamt schneller kondensiert und damit eine Verbesserung
der Wiederverfestigung der Schaltstrecke ermöglicht wird.
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Insgesamt ist damit eine höhere Schaltstücklebensdauer und somit eine
größere Gesamtlebensdauer der Vakuumschaltkapsel mit einem geringen Aufwand erreichbar.