DE552593C - Hochvakuumschalter - Google Patents

Description

In Schaltern, bei denen die Kontakte in einem hochevakuierten Gehäuse untergebracht sind, treten beim Schaltvorgang, insbesondere beim Abschalten, Elektronenströme auf, die von den Kontakten ausgehen. Die Elektronen bewegen sich nach allen Seiten auseinander und besitzen infolge des hohen Vakuums große Geschwindigkeit, so daß beim Auftreffen auf die in der Regel aus Glas bestehenden Wandungen des Vakuumgehäuses leicht Beschädigungen auftreten. Besonders gefährdet sind die Stellen des Gehäuses, an denen dasselbe gegen die Leitungseinführungen abgedichtet ist, da hier als Folge des Elektronenbombardements Undichtigkeiten entstehen können.

Um die Wandungen des Vakuumgehäuses vor dem Elektronenbombardement zu schützen, hat man bereits einen einen Hohlzylinder darstellenden Schirm um die Kontaktstelle angeordnet, indem man ihn an dem Träger des einen Kontaktes befestigte. Dadurch werden aber die in dem Vakuumgehäuse befindlichen Metallmassen erhöht, während man im allgemeinen bestrebt ist, mit Rücksicht auf die in den Metallmassen eingeschlossenen Gase, die leicht zu einer Verschlechterung des Vakuums führen können, so wenig wie möglich Metall im Innern des Vakuumgefäßes anzuordnen.

Eine Anordnung, die diese Nachteile vermeidet, die aber dennoch einen wirksamen Schutz der Wandungen des Vakuumgehäuses vor dem Elektronenbombardement bietet, wird erfindungsgemäß dadurch erhalten, daß die Oberfläche des einen Kontaktes mit einer stetig verlaufenden konvexen, die des anderen Kontaktes mit einer stetig verlaufenden konkaven Flächenkrümmung ausgerüstet ist, derart, daß die Kontakte einander umhüllen.

Man hat zwar bereits bei Glimmröhren eine konvex-konkave Ausbildung zur Erhöhung der Kontaktoberfläche durchgeführt. Der Entladungsvorgang in einer derartigen Röhre, der eine Glimmentladung darstellt, wird dabei durch die Ausbildung der Kontakte nicht beeinflußt; ebenso können ein schädliches Elektronenbombardement oder Metallspritzer, die die Wandung gefährden, nicht auftreten. Bei einem Vakuumschalter wird dagegen durch die konvex-konkave Ausbildung der Kontakte nicht nur die Glaswand vor dem Elektronenbombardement, das bei normalen Entladungen auftritt, und vor Metallspritzern, die beim Abschalten schwerer Kurzschlüsse sich bilden, geschützt, sondern es wird auch dadurch ein weiterer Vorteil hervorgerufen, daß zwischen den Kontakten nach ihrer Trennung ein Feld entsteht, welches die Elektronenemission, die von der

konvexen Elektrode ausgeht, zu verhindern sucht und dadurch den Lichtbogen leicht zum Erlöschen bringt.

Da bekanntlich die Elektronen von der Kathode, d. h. von der negativen Elektrode, ausgesandt werden, so ist es erforderlich, den Schalter so auszubilden, daß im Augenblick der Kontakttrennung der konvexe Kontakt die Kathode bildet, d. h. es muß der Strom ίο den Schalter in einer bestimmten Richtung durchfließen. Diese Bedingung läßt sidi bei Gleichstrom ohne weiteres durch entsprechenden Anschluß des Schalters erfüllen. Bei Wechselstrom dagegen bildet man die Auslösevorrichtung des Schalters so aus, daß die Kontakte in einem Zeitpunkt getrennt werden, in dem der Strom die für die richtige Arbeitsweise des Schalters erforderliche Richtung besitzt.

Um von der Stromrichtung im Augenblick des Abschaltens unabhängig zu sein, kann man auch gemäß der weiteren Erfindung sowohl bei Gleichstrom als auch bei Wechselstrom mehrere Vakuumschalter mit wechselnder Reihenfolge der Kontakte in Reihe schalten, die gleichzeitig geöffnet werden. Hierdurch wird erreicht, daß in jedem Falle in einem Teil der Schalter der Strom im Augenblick des Abschaltens die gewünschte Richtung besitzt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Abb. 1 zeigt einen Vakuumschalter, dessen Gehäuse 10 z. B. aus Glas besteht und die Form eines Rundkolbens mit zwei diametral gegenüberliegenden rohrförmigen Ansätzen 14 und 17 besitzt. Die beiden Elektroden 11 und 12 sind in der Mitte des Rundkolbens angeordnet. Die Elektrode 11 ist an einem aus Isoliermaterial bestehenden Träger 13 außerhalb des Vakuumgehäuses befestigt und durch ein Wellrohr 16 am Ende des rohrförmigen Ansatzes 14 vakuumdicht in das Innere des Gehäuses 10 eingeführt. Das Wellrohr 16 hat den Zweck, die bei der Berührung der Kontakte auftretenden Stöße von dem Vakuumgehäuse fernzuhalten. Die zweite Elektrode 12 ist beweglich und durch ein zweites Wellrohr 18 am Ende des Ansatzes 17 nach außen geführt. Das Wellrohr 18 besitzt eine derartige Elastizität, daß die für das Öffnen und Schließen der Kontakte erforderliche Schaltbewegung von außen auf die Elektrode 12 übertragen werden kann. Um die richtige gegenseitige Lage der beiden Kontakte 11 und 12 zu erreichen, ist die Tragstange des Kontaktes 12 in einen außerhalb des Vakuumgefäßes angeordneten Teil 19 geführt, der aus isolierendem Material besteht. Das Gehäuse 10 ist so hoch evakuiert, daß der Gasdruck in der Größenordnung von ¹Z₁₀₀ Mikron liegt.

Zur Bewegung des Kontaktes 12 dient ein elektromagnetisch betätigter Antriebsmechanismus, der einen mit einem Magnetanker 22 versehenen drehbaren Arm 21 besitzt, welch letzterer über einen Hebel 24 und ein isolierendes Zwischenglied 25 mit der Tragstange des Kontaktes 12 drehbar verbunden ist. Eine starke Feder 26, die an dem Hebel 24 angreift, sucht entgegen der Zugkraft eines Haltemagneten 23, der auf den Anker 22 wirkt, den Schalter in die Ausschaltstellung zu bringen, in der die Kontakten und 12 getrennt sind. Zum Schließen des Schalters dient eine Einschaltspule 28, die über einen Hebel 27 auf das Schaltergestänge wirkt und deren Stromkreis durch einen Betätigungsschalter 29 geschlossen werden kann. In der Einschaltstellung wird der Schalter durch die von dem Haltemagneten 20 auf den Anker 22 ausgeübte Zugkraft festgehalten. Der Kern 23 des Haltemagneten ist mit einer Haltewicklung 30 versehen, die normalerweise von einer Gleichstromhilfsstromquelle erregt wird. Der Magnetkern besitzt zwei Zinken 32, die einen Nebenschluß zu dem über den Anker 22 verlaufenden Kraftlinienweg darstellen und mit einer Auslösewicklung 31 versehen sind. Die Auslösewicklung 31 kann sowohl bei Gleichstrom als auch bei Wechselstrom unmittelbar in Reihe mit dem über die Kontakte 11 und 12 verlaufenden Hauptstromkreis des Vakuumschalters liegen. Bei Wechselstrom kann jedoch auch, falls wünschenswert, ein Stromwandler zwischengeschaltet werden. Die Kontaktflächen der beiden Elektroden

11 und 12 sind gemäß der Erfindung verschieden ausgebildet, und zwar bildet die Elektrode 11 eine hohle Halbkugel, in welche das kugelförmig abgerundete Ende der Elektrode

12 hineinpaßt. Infolgedessen umhüllt die Elektrode 11 die Kontaktfläche der Elektrode 12 nahezu vollständig in dem Augenblick, wo die Kontakttrennung beginnt. Hierdurch wird erreicht, daß alle von der Elektrode 12 ausgesandten Elektronen während des Abschaltvorganges durch die Elektrode 11 aufgefangen werden, vorausgesetzt, daß die Elektrode 12 die Kathode bildet. Hierdurch wird verhütet, daß die Elektronen auf die Dichtungen und andere empfindliche Teile des Vakuumgehäuses 10 auf treffen, und das Wellrohr 16 wird vor Beschädigungen und Verbrennungen bewahrt. Gleichzeitig werden die Wandungen des Vakuumgehäuses auch vor Niederschlägen verdampften Kontaktmaterials geschützt.

Um zu verhüten, daß die Kontakttrennung bei falscher Stromrichtung erfolgt, wobei der untere Teil des Vakuumgehäuses und insbesondere das Wellrohr 18 dem von der Elektrode 11 ausgehenden Elektronenstrom aus-

gesetzt wäre, ist der Haltemagnet 23 so ausgebildet, daß er den Anker 22 nur dann losläßt, wenn der Strom den Schalter in der Richtung vom Kontakt 11 zum Kontakt 12 durchfließt. Zu diesem Zweck ist der Windungssinn der Auslösewicklung 31 so gewählt, daß sie bei falscher Stromrichtung den von der Haltewicklung 30 erzeugten Kraftfluß durch den Anker 22 unterstützt, bei umgekehrter Stromrichtung dagegen den Kraftfluß schwächt. Infolgedessen vermag die Ausschaltfeder 26 die Kontakte nur dann zu trennen, wenn die Stromrichtung im Schalter die vorgeschriebene ist.

*5 Im Augenblick, wo die Kontakte voneinander getrennt werden, setzt ein Elektronenstrom von der negativen Elektrode 12 zur positiven Elektrode 11 ein, der den Stromfluß noch eine gewisse Zeit aufrechterhält. Macht man die Kontakte aus einem Material mit nietlerem Schmelzpunkt, z. B. Kupfer, wie dies bei Verwendung des Schalters für Wechselstrom zweckmäßig ist, so bildet sich hierbei an der Kathode 12 ein Kathodenileck aus, der Elektronen aussendet und geringe Mengen des Kontaktmaterials zum Verdampfen bringt. Dieser Zustand bleibt so lange bestehen, bis der Strom durch seinen Nullwert geht. In diesem Augenblick erlischt jedoch der Kathodenfleck, die Elektronenemission hört auf, und das in dem Raum zwischen den beiden Kontakten befindliche verdampfte Metall wird zerstreut. Infolgedessen kann während der nächsten· Halbwelle der Strom mangels einer leitenden Bahn zwischen den Kontakten nicht mehr zum Fließen kommen und bleibt endgültig unterbrochen. Auf diese Weise wird die Stromunterbreclmng in außerordentlich kurzer Zeit, nämlich in weniger als einer Halbperiode, erzielt. Besonders vorteilhaft ist es, daß infolge der Stromunterbrechung im Augenblick des Xulldurchganges keinerlei Überspannungen in den angeschlossenen Netzteilen auftreten können.

Bei Gleichstrom ist es zweckmäßig, für die Kontakte ein Material mit höherem Schmelzpunkt zu wählen. Besonders geeignet sind Wolframkontakte, da bei diesem Metall wegen seines außerordentlich hohen Schmelzpunktes nur schwer so viel Metalldampf erzeugt werden kann, wie zur Aufrechterhaltung eines Kathodenflecks erforderlich ist. Bei derartigen hochschmelzenden Kontakten setzt vielmehr im Augenblick der Kontakttrennung in der Kathode eine Glühelektronenemission ein. Die zur Aufrechterhaltung des Elektronenstromes erforderliche Wärme wird jedoch schnell abgestrahlt, die Elektronenemission hört auf, und die Folge ist die Unterbrechung des zwischen den Kontakten übergehenden Stromes. Bei der Kontaktform nach der Erfindung braucht nur die Elektrode, von welcher der Elektronenstrom ausgeht — bei dem gezeichneten Schalter der Kontakt 12 —, aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt zu bestehen.

Die Wirkungsweise des Schalters dürfte nach vorstehenden Ausführungen ohne weiteres verständlich sein. Durch Schließen des Schalters 29 wird die Einschaltspule 28 erregt und zieht ihren Anker an, so daß der Hebel 27 mit der an seinen Enden befindlichen Rolle gegen den Hebel 24 drückt und hierdurch den Hebel 21 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, bis der Anker 22 an dem Haltemagneten 23 anliegt, wo er durch die von der Haltewicklung 30 erzeugte Zugkraft festgehalten wird. Die Schalterkontakte sind jetzt noch nicht geschlossen. Der Kontakt 12 wird vielmehr erst dann nach oben bewegt, wenn nach Loslassen des Druckknopfes 29 der Hebel 27 in die gezeichnete Lage zurückfällt und hierbei der Hebel 24 durch die Feder 26 entgegen dem Uhrzeigersinn in die gezeichnete Lage gedreht wird. Als Drehpunkt für den Hebel 24 dient hierbei der Punkt, an dem der Hebel 21 mit ihm verbunden ist. Auf diese Weise wird der Kontakt 12 in die Höhlung des Gegenkontaktes 11 gepreßt und damit der Stromkreis des Schalters geschlossen. Wenn nun bei einem auftretenden Überstrom in der vorgeschriebenen Richtung die Äuslösewicklung 31 die Freigabe des Ankers 22 bewirkt, so zieht die Feder 26 den Hebel 24 ohne jede Verzögerung mit großer Kraft nach unten und öffnet dabei durch Abwärtsbewegung des Kontaktes 12 den Schalter. Da die Masse der beweglichen Teile nur gering ist, so ergibt sich eine große Schaltgeschwindigkeit und als Folge davon eine sehr kurze Ausschaltzeit.

Wenn der Schalter für Gleichstrom verwendet w^rird, kann man die Abschaltung noch dadurch beschleunigen, daß man parallel zu dem Schalter einen Energie absorbierenden Kreis, z. B. einen Kondensator, anschließt, dessen Kapazität in einem bestimmten Verhältnis zur Geschwindigkeit der Kontaktbewegung steht, derart, daß im Augenblick der Kontakttrennung die Spannungsdifferenz zwischen den Kontakten so stark verringert wird, daß eine nennenswerte Elektronenemission an der negativen Elektrode nicht eintritt.

In Abb. 2 ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher zwei Vakuumschalter der beschriebenen Type in Reihe liegen, und zwar sind die beiden Schalter 40 und 41 mit umgekehrter Reihenfolge der Kontakte in den Zug der Leitung L₁ eingeschaltet. Es sind also z. B. die beiden kugelförmig ausge-

bildeten Kontakte 43 und 45 über eine aus leitendem Material bestehende Traverse 48 miteinander verbunden, während die dem Kontakt 11 der Abb. 1 entsprechenden Gegenkontakte 42 und 44 an die ankommende bzw. abgehende Netzleitung angeschlossen sind. Das Netz kann Wechselstrom oder Gleichstrom führen, wobei im letzteren Falle die Stromrichtung beliebig ist.
»ο Der Antriebsmechanismus der beiden Schalter ist so ausgebildet, daß sie beide gleichzeitig ihre Kontakte öffnen. Die Ausschaltung erfolgt dadurch, daß die Traverse

48 nach unten bewegt wird und die mit ihr verbundenen Kontakte 43 und 45 von den Gegenkontakten 42 und 44 der beiden Schalter entfernt. Das gezeichnete Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Wechselstromnetz, in dem ein auftretender Überstrom vermittels des Stromwandlers 46 die Auslösespule 52 erregt, die auf die Sperrklinke 51 wirkt. Beim Ansprechen der Auslösung gibt die Sperrklinke 51 das z. B. aus zwei Hebeln

49 und S3 bestehende Gestänge frei, auf das die Ausschaltfeder 50 im Sinne der Abwärtsbewegung der Traverse 48 wirkt. Bei Gleichstrom kann die Auslösespule 52 unmittelbar im Leitungszug liegen und parallel zu einem vom Leitungsstrom durchflossenen Shunt angeschlossen werden.

Bei der Anordnung zweier Schalter in Reihe nach Abb. 2 ist die Stromrichtung im Augenblick der Kontakttrennung gleichgültig, da in jedem Falle der eine der beiden Kontakte 43 bzw. 45 mit Bezug auf die entsprechenden Gegenkontakte · 42 bzw. 44 negativ geladen ist. Infolgedessen liegen immer in einem der beiden Schalter die Bedingungen für die Elektronenemission vor, bei der die Elektronen von der kugelförmigen Elektrode ausgehen und von der sie umhüllenden Gegenelektrode aufgefangen werden. Hieraus ergibt sich, daß immer einer der beiden Schalter in der Lage ist, den Strom

zu unterbrechen, selbst wenn dieBedingungen 45 für die Stromunterbrechung in dem andern Schalter nicht so günstig sind. Man braucht also bei dieser Anordnung keinerlei Rücksicht auf die Richtung des die Schalterkombination durchfließenden Stromes zu nehmen, ohne die 50 Vorteile der besonderen Elektrodenformen einzubüßen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hochvakuumschalter, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des einen Kontaktes eine stetig verlaufende konkave, die des anderen Kontaktes eine stetig verlaufende konvexe Flächenkrümmung besitzt, derart, daß die Kontakte einander umhüllen.

2. Hochvakuumschalter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des einen Kontaktes nach einer konvexen, die des anderen Kontaktes nach einer konkaven Kugel gekrümmt ist.

3. Hochvakuumschalter nach Anspruch ι und 2 für Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt mit der konvexen Oberfläche an den negativen Pol, der Kontakt mit der konkaven Oberfläche an den positiven Pol der Leitung gelegt ist.

4. Hochvakuumschalter nach Anspruch ι und 2 für Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösevorrichtung polarisiert ist, derart, daß sie nur dann die Kontakttrennung zuläßt, wenn der Strom den Schalter in der Richtung von dem konkaven zu dem konvexen Kontakt durchfließt.

5. Anordnung für Wechselstrom mit zwei oder einem Vielfachen von zwei gleichzeitig betätigten, in Reihe liegenden Vakuumschaltern nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Vakuumschalter mit abwechselnd entgegen-' gesetzter Kontaktfolge geschaltet sind.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen