EP1551048A1 - Anordnung zur Strombegrenzung - Google Patents

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Publication number
EP1551048A1
EP1551048A1 EP04106992A EP04106992A EP1551048A1 EP 1551048 A1 EP1551048 A1 EP 1551048A1 EP 04106992 A EP04106992 A EP 04106992A EP 04106992 A EP04106992 A EP 04106992A EP 1551048 A1 EP1551048 A1 EP 1551048A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arrangement according
plates
contact
quenching plates
arc
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04106992A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Haas
Werner Hartmann
Norbert Wenzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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 AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1551048A1 publication Critical patent/EP1551048A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H01H33/08—Stationary parts for restricting or subdividing the arc, e.g. barrier plate
    • H01H33/10—Metal parts

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for current limiting according to the preamble of claim 1.
  • Bei Such an arrangement for limiting the electrical Electricity in low-voltage networks, in case of operation at diffuse arc modes occur when the operating currents are flowing should in case of short circuit in the case of flowing Short-circuit currents of the arc through suitable cooling plates cooled or by suitable divider plates in a row lying partial arcs are split.
  • DE 199 13 236 C2 is in the individual embodiments explicitly on the spatial arrangement of the quenching plates, in particular cooling plates or divider plates, with respect to on position of contacts: Especially at the arrangements according to Figures 1 and 2 of DE 199 13 236 C2 are the identically shaped quenching plates in the axial direction of the Contact system stacked in parallel. So you are not staggered arranged so that the middle quenching plates in Contact gap proximity a huge distance to the contacts in transversal or radial direction and only the Close outer extinguishing plates close to the contact pieces.
  • the quenching plates are similar to the arrangement executed with spiral contacts, only that the two extreme extinguishing plates do not reach as far inside as the other quenching plates. It follows in the same way one Stacking of the quenching plates.
  • the inner edges of the thighs are or annular quenching plates as simple, smooth contours executed. More complicated, of air circuit breakers Her known geometric splitter structures, which are advantageous on the current-limiting formation of arc bases on the quenching plates are not applied.
  • quenching plate assemblies specifically cooling plates or dividing plates, for contacts in a current-limiting Specify vacuum interrupter, which the current-limiting Improve switching properties of the tube.
  • the individual quenching plates are advantageously not in the axial direction of the contact system parallel staggered or stacked, but are rather staggered in the direction of the switching pieces.
  • the quenching plates have a different immersion depth, the formed splitter stack with the edges the individual quenching plates a profile course accordingly the contact arrangement has. This is not enough only the outer Extinguishing plates close to the contacts, but show in particular, the middle quenching plates near the contact gap a small transverse or radial distance to the contacts.
  • the inner edges of the quenching plates lie that is, in a spatial band along the divergent contact segments.
  • the tape can be parallel to the contacts run. This is particularly important if the Contacts are beaked or rotationally shaped.
  • the staggered quenching plates are advantageously shaped so that the arc facing Edge deviates from a straight or circular contour.
  • the border contour can be regular, for example, serrated, or irregular.
  • the contours are preferably on the Slits adjusted.
  • vacuum interrupters be used with such contact configurations, the Although lean on the known structure. According to the invention however, improve the staggered arc splitter assemblies through the geometric changes the current limit and so the switching behavior of the vacuum switch crucial.
  • the invention was an analysis of the current limiting behavior in DE 199 13 236 C2 basis, resulting in some new knowledge led. It was recognized that the location of the Blade inside edges according to Figure 4 of DE 199 13 236 C2 neither an extension of the predominantly axial, one-piece arc filament before entering the quenching plates in the radial direction enforces the cooling effect the quenching plates by extending the contact zone Arc quenching favors. Both are unfavorable for the formation of arc bases on the Extinguishing plates, because of low arc length and poor cooling a low arc voltage requirement before entering into condition the quenching plates.
  • FIGS. 1 and 2 thus show an arrangement which is in contact with itself those used in conventional low-voltage circuit breakers Air switching chambers based, with suitable materials be used for vacuum conditions. This arrangement shows a good current-limiting at high short-circuit currents Behavior. A stationary in the field of divider plates however, a burning arc of several 10 kA may occur the divider plates and the outer, from the arc contaminated contact area destroy and therefore not sufficient Allow life.
  • FIG. 3 and Figure 4 is in each case the improved arc splitter arrangement shown.
  • the switch assembly 1 to 4 with the beak-shaped contact carriers 4 and the contacts. 9 corresponds to the figure 1 or 2.
  • Now shown is a Arrangement of quenching plates 36a to 36i, in which the individual Extinguishing plates have a different lateral extent. While the individual quenching plates on the right side ending flush and in a not shown in the figure 3 Holder made of electrically insulating, non-gaseous material are attached, they are on the opposite side different lengths.
  • the complete splitter stack 36 forms on this page in total approximately a triangular profile.
  • the switching pin consists of OFHC copper, where the actual contact pieces 9 made of contact material, For example, CuCr50, are arranged.
  • the individual quenching plates of the splitter stack with predetermined End profile consist of iron, steel or copper, in particular OFHC copper.
  • iron is possibly also a specific one Steel, is magnetizable, whereby the running of the Arc is favored in the splitter stack.
  • specially Iron is galvanically nickel plated to prevent corrosion.
  • FIGS. 6 and 7, 11 and 12 denote two contact pins for power supply, one of which via a not shown Federbalg is designed to be movable. Also the real one Vacuum interrupter is not shown in detail.
  • Between laterally beveled contacts 13 and 14 is an arrangement 15 present, in detail from individual divider plates 16a to 16h and associated ceramic or metal parts.
  • the divider plates 16a to 16h end introduced into a ceramic holder 17 and is according to FIG. 6 shows at least one radial slot 18.
  • the switching pieces 13 and 14 have in their layout similarities with spiral contacts used in vacuum switching technology.
  • the magnetic force acting on the intense arc created between the separating contact pads has components that drive the arc toward the race.
  • an extension of the arc is achieved by chamfering the contact pieces.
  • the arc will go into the diffuse mode and thereby extend over the entire contact piece surface, if a dependent of the contact piece diameter D limiting current of I G ⁇ 15 - 25 kA is not exceeded.
  • D limiting current of I G ⁇ 15 - 25 kA is not exceeded.
  • the arc is maintained in contracted mode, and its voltage requirement during wandering as a result of the extension increases to a few 100 V and thus the current limitation becomes effective.
  • the voltage requirement of a long arc at least for the repeatedly occurring unstable arc configurations will be greater than the sum of the voltage requirement of partial arcs, which burn between two divider plates or between a raceway and a divider plate.
  • the commutation of the long arc into the area of the divider plates and its division occurs within a few ⁇ s.
  • the burning voltage and the associated current limit are only slightly reduced. Only when the instantaneous current falls below the limit value I G before zero current, does the arc withdraw from the splitter plate region and change to the diffuse mode. It spreads over the contact surface and the arc voltage decreases with decreasing current.
  • the direction of the resulting between the divider plates contracted arcs is determined by the local magnetic field, that of the current flow in the switching pieces or Running rings and the divider plates depends. She can therefore for the individual sheets, as with reference to FIGS. 7 and 9 for a section of the divider plates and races shown will be, different.
  • the arc Since the current-limiting effect of a shutdown as possible should use quickly and immediately with the arc voltage build-up related, the arc must be fast migrate from the contact pads in the direction of the divider plates. In addition, the commutation must be in the range of the divider plates be done quickly, so that reignitions in the back of Arch and thus arc voltage dips are avoided.
  • FIGS. 8 and 9 show improvements of the staggered ones Fire extinguishers specially designed for axial symmetry.
  • a splitter stack 86 with staggered inside Extinguishing plates 86a to 86i and other extinguishing plates 86j to 861 shown. All quenching plates 86a to 861 are attached at the rear in an insulating assembly 87, the can be the wall of the vacuum interrupter at the same time. at this arrangement are related to the contact arrangement axially symmetric quenching plates before.
  • the well-known vacuum interrupter with current-limiting property thus consists of at least two contacts with measures for generating radially directed magnetic fields, of which at least one contact in the direction of the power supply From the other contact is movable, from one vacuum-tight envelope, an insulator and an electric largely isolated mounted, the main contacts enclosing Splitter stack for arc splitting.
  • the staggered arranged and / or shaped quenching plates bring considerable technical improvements: the one from the place of origin arc running away reaches the middle fireplaces immediately after contact separation.
  • the cooling Effect of the middle quenching plates is therefore without delay, as well as a possible formation of partial arcs, at least in the middle splitter columns.
  • the current limit due to increased arc tension thus occurs advantageous early in case of overload.
  • the location of the sheet-metal edges subjected to the arc forces an extension of the arc filament before or instead of a division through the quenching plates in transversal or radial direction. In particular, it causes a better one Cool the arc through the long contact zone between Arc and quenching plates.
  • the associated increased arc voltage requirement before entering the splitter plate column favors the formation of arc bases the quenching plates.
  • the specified geometric measures thus have an advantageous effect on the structure of increased arc voltage amplitudes out.
  • the shapes of the quenching plates described can also be advantageous be further educated. On the one hand, a big one improves Length of the arc exposed edge the cooling of the Arc. On the other hand cause the large edge length and possibly a structured, uneven or with openings provided sheet metal surface the chance, arc approaches to form on the sheets. Both properties favor the arc voltage build-up.
  • Vacuum switch contacts with staggered arranged Splitter plates have shown that significantly higher arc voltage amplitudes measured as in the case of non-staggered, i.e. stacked quenching plates, wherein the short-circuit current is further limited.
  • the Contour 80 may in particular have a regular serrated shape and serves to extend the splitter edge.
  • the Contour 90 may also be irregular, wherein such a contour depends on the slit of the spiral contacts.
  • Vacuum interrupters with the contact configurations according to the invention and quenching plate assemblies according to the figures 3 to 5 on the one hand and Figures 8 to 10 on the other hand can be based on the figures 1/2 and 6/7 of the prior art realize.
  • Figure 11 shows typical Time curves of the arc voltage for the rotationally symmetric Arrangement. Plotted on the abscissa is the time in s and on the ordinate the arc voltage in volts. Are shown Graphs 101 to 103 for comparison of the invention with the State of the art.
  • the graph 103 of a measurement with splitter staggering includes with respect to the graph 102 of the measurement without the plate spacing, but stacking, and the graph 101 without current limit a considerable improvement to higher arc voltages, which is to be regarded as technical progress.

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  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

Es wurde bereits vorgeschlagen, in Vakuumschaltröhren Mittel zur Strombegrenzung vorzusehen, die im Wesentlichen durch ein Löschblechpaket (36, 86) realisiert sind. Gemäß der Erfindung sind die einzelnen Löschbleche (36a bis 36i, 86a bis 86i) gestaffelt angeordnet und haben eine unterschiedliche laterale Ausdehnung, wobei das Paket (36, 86) aus den einzelnen Löschblechen (36a bis 36i, 86a bis 86i) an dem äußeren Rand einen derartigen Profilverlauf der Löschblechenden aufweist, dass die in Kontaktspaltnähe angeordneten mittleren Löschbleche (36e, 86e) tiefer in den Kontaktspalt eintauchen als die äußeren Löschbleche (36a bis 36d, 36f bis 36i, 86a bis 86d, 86f bis 86i). Damit wird eine beachtliche Verbesserung im Strombegrenzungsverhalten erreicht. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Strombegrenzung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Bei einer solchen Anordnung zur Begrenzung des elektrischen Stroms in Niederspannungsnetzen, bei der im Betriebsfall bei den dabei fließenden Betriebsströmen diffuse Bogenmoden auftreten, sollen im Kurzschlussfall bei den dabei fließenden Kurzschlussströmen der Lichtbogen durch geeignete Kühlbleche gekühlt oder durch geeignete Teilerplatten in hintereinander liegende Teillichtbögen aufgespalten werden.
Aus der DE 199 13 236 C2 der Anmelderin ist ein Verfahren zur Strombegrenzung in Niederspannungsnetzen einschließlich zugehöriger Schaltkontaktanordnungen sowie deren spezielle Verwendung bekannt, bei dem Vakuumschaltröhren für die Strombegrenzung eingesetzt werden. Im Einzelnen werden Vakuumschaltröhren mit solchen Kontaktkonfigurationen verwendet, bei welchen ein in Richtung zum Strom im Lichtbogen transversales Eigenmagnetfeld auftritt, wobei der Lichtbogen durch geeignete Teilerplatten vorteilhafterweise in Teillichtbögen aufgeteilt werden soll. Gegebenenfalls kann der Lichtbogen auch einteilig bleiben, wobei in diesem Fall die Teilerplatten außerhalb des Lichtbogenfadens als Lichtbogenkühlplatten verwendet werden.
Andere im Niederspannungsbereich bekannte strombegrenzende Schaltelemente, wie Luftleistungsschalter mit Löschblechkammern und Komponenten auf Basis kohlenstoffgefüllter, leitfähiger Polymere, wurden bereits früher in der Monographie A. Erk und M. Schmelzle: "Grundlagen der Schaltgerätetechnik", Springer-Verlag, Berlin - Heidelberg - New York, 1974, Seite 269, beschrieben.
In der DE 199 13 236 C2 wird bei den einzelnen Ausführungsbeispielen explizit auf die räumliche Anordnung der Löschbleche, wie insbesondere Kühlbleche bzw. Teilerplatten, in Bezug zur Lage der Kontakte eingegangen: Speziell bei den Anordnungen entsprechend den Figuren 1 und 2 der DE 199 13 236 C2 sind die identisch geformten Löschbleche in Axialrichtung des Kontaktsystems parallel gestapelt. Sie sind also nicht gestaffelt angeordnet, so dass die mittleren Löschbleche in Kontaktspaltnähe einen sehr großen Abstand zu den Kontakten in transversaler bzw. radialer Richtung besitzen und nur die äußeren Löschbleche bis nah an die Kontaktstücke heranreichen.
Bei der Anordnung mit Topfkontakten entsprechend Figur 3 der DE 199 13 236 C2 sind die Löschbleche ähnlich wie bei der Anordnung mit Spiralkontakten ausgeführt, nur dass die beiden äußersten Löschbleche nicht soweit nach innen reichen wie die anderen Löschbleche. Es ergibt sich in gleicher Weise eine Stapelung der Löschbleche.
Alle in der DE 199 13 236 C2 beschriebenen Löschblechanordnungen haben die Eigenschaft, dass der nach Kontakttrennung vom Entstehungsort weglaufende Lichtbogen die Löschbleche erst erreicht, nachdem er nahezu das gesamte divergierende Kontaktsegment durchlaufen hat, was dort im Einzelnen anhand Figur 4 ausgeführt wird. Die kühlende Wirkung der Löschbleche und die angestrebte Bildung von Teillichtbögen können dort erst nach Eintreten des Lichtbogens in die Löschblechspalte erfolgen, d.h. daher mit starker Verzögerung in Bezug zur Kontakttrennung. Die angestrebte Strombegrenzung infolge erhöhter Bogenspannung tritt somit vergleichsweise spät ein.
Beim Stand der Technik sind die Innenkanten der schenkel- bzw. kreisringförmigen Löschbleche als einfache, glatte Konturen ausgeführt. Kompliziertere, von Luftleistungsschaltern her bekannte geometrische Löschblechstrukturen, die sich vorteilhaft auf die strombegrenzende Bildung von Lichtbogenfußpunkten auf den Löschblechen auswirken, werden nicht angewandt.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, geeignete Löschblechanordnungen, und zwar im Einzelnen Kühlbleche bzw. Teilerplatten, für Kontakte in einer strombegrenzenden Vakuumschaltröhre anzugeben, welche die strombegrenzenden Schalteigenschaften der Röhre verbessern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Anordnung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen dieser Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der Erfindung werden die einzelnen Löschbleche vorteilhafterweise nicht etwa in Axialrichtung des Kontaktsystems parallel versetzt positioniert bzw. gestapelt, sondern sind vielmehr gestaffelt in Richtung auf die Schaltstücke. Insbesondere die Löschbleche haben eine unterschiedliche Eintauchtiefe, wobei das gebildete Löschblechpaket mit den Rändern der einzelnen Löschbleche einen Profilverlauf entsprechend der Kontaktanordnung hat. Dadurch reichen nicht nur die äußeren Löschbleche bis nahe an die Kontakte heran, sondern weisen insbesondere auch die mittleren Löschbleche in Kontaktspaltnähe einen geringen transversalen bzw. radialen Abstand zu den Kontakten auf. Die Innenkanten der Löschbleche liegen also in einem räumlichen Band entlang der divergierenden Kontaktsegmente. Das Band kann dabei parallel zu den Kontakten verlaufen. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Kontakte schnabel- oder rotationsförmig ausgebildet sind.
Bei der Erfindung sind die gestaffelten Löschbleche vorteilhafterweise derart geformt, dass die dem Lichtbogen zugewandte Kante von einer geraden oder kreisförmigen Kontur abweicht. Damit wird die Randlänge der einzelnen gegeneinander versetzten Löschbleche verlängert. Die Randkontur kann regelmäßig, beispielsweise zackenförmig, oder unregelmäßig sein.
Bei Spiralkontakten sind die Konturen vorzugsweise an die Schlitzungen angepasst.
Vorteilhafterweise können bei der Erfindung Vakuumschaltröhren mit solchen Kontaktkonfigurationen verwendet werden, die sich zwar an den bekannten Aufbau anlehnen. Erfindungsgemäß verbessern jedoch die gestaffelten Löschblechanordnungen durch die geometrischen Abänderungen die Strombegrenzung und damit das Schaltverhalten des Vakuumschalters entscheidend.
Der Erfindung lag eine Analyse des Strombegrenzungsverhaltens bei der DE 199 13 236 C2 zugrunde, was zu teilweise neuen Erkenntnissen führte. Es wurde erkannt, dass die Lage der Löschblech-Innenkanten entsprechend Figur 4 der DE 199 13 236 C2 weder eine Verlängerung des vorwiegend axialen, einteiligen Lichtbogenfadens vor Eintritt in die Löschbleche in radialer Richtung erzwingt noch die kühlende Wirkung der Löschbleche durch Verlängerung der Berührungszone Lichtbogen-Löschbleche begünstigt. Beides wiederum ist unvorteilhaft für die Bildung von Lichtbogenfußpunkten auf den Löschblechen, da geringe Lichtbogenlänge und schlechte Kühlung einen nur geringen Bogenspannungsbedarf vor Eintritt in die Löschbleche bedingen.
Die drei vorgenannten Aspekte wirken sich somit nachteilig auf den effizienten Aufbau erhöhter Bogenspannungsamplituden aus.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Patentansprüchen. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung
Figur 1 und Figur 2
bekannte Vakuumschaltkontakte mit zugeordneten Lichtbogenteilerplatten in seitlicher Schnittdarstellung und Draufsicht,
Figur 3 und Figur 4
eine Anordnung mit erfindungsgemäß ausgebildeten Löschblechen, in Figur 3 mit einem vorwiegend axialen, einteiligen Lichtbogenfaden vor etwaigem Eintritt in die Löschbleche,
Figur 5
eine Darstellung des Kontaktes im geschlossenen und geöffneten Zustand entsprechend der Anordnung aus Figur 3,
Figur 6 und Figur 7
Vakuumschalter-Spiralkontakte gemäß Figur 1 zur Erzeugung von Radialmagnetfeldern mit zugeordneten Lichtbogenteilerplatten in seitlicher Schnittdarstellung und Draufsicht,
Figur 8 und Figur 9
Spiralkontakte zur Erzeugung von Radialmagnetfeldern mit erfindungsgemäß gestaffelt angeordneten Löschblechen in seitlicher Schnittdarstellung und in Draufsicht,
Figur 10
eine vorteilhafte Kontur einer dem Lichtbogen zugewandten Löschblechkante bei der Anordnung gemäß Figur 8/9 in Draufsicht und
Figur 11
Zeitverläufe der Bogenspannungsamplitude, gemessen an schnabelförmigen Vakuumschaltkontakten mit und ohne Staffelung der Löschbleche.
In der DE 199 13 236 C2 ist ein Verfahren zur Strombegrenzung in Niederspannungsnetzen beschrieben, wobei dort Vakuumschaltröhren verwendet werden, denen als Mittel zur Strombegrenzung Löschbleche in der Röhre zugeordnet sind. Dabei können in den Vakuumschaltröhren Kontaktanordnungen vorhanden sein, die ein radiales Magnetfeld erzeugen.
Der aus der DE 199 13 236 C2 bekannte strombegrenzende Vakuumschalter wird nun durch die anhand der Figuren im Einzelnen beschriebenen Maßnahmen weiter verbessert.
In Figur 1 sind mit 1 und 2 zwei Kontaktbolzen gezeigt, über die Ströme zu Kontaktträgern 3 und 4 mit zugehörigen Kontaktauflagen geführt werden. Es ist eine Löschanordnung 5 vorhanden, wie sie im Prinzip aus Luftschaltern bekannt ist, die aus einzelnen Löschplatten 6a bis 6j besteht, wobei eine umrandende Keramikbegrenzung 7 vorhanden ist. Letzteres wird aus der Draufsicht gemäß Figur 2 deutlich.
Die Figuren 1 und 2 zeigen also eine Anordnung, die sich an die in konventionellen Niederspannungs-Leistungsschalter verwendeten Luftschaltkammern anlehnt, wobei geeignete Materialien für Vakuumverhältnisse verwendet werden. Diese Anordnung zeigt bei hohen Kurzschlussströmen ein gutes strombegrenzendes Verhalten. Ein im Bereich der Teilerplatten stationär brennender Lichtbogen mit mehreren 10 kA kann jedoch gegebenenfalls die Teilerplatten und den äußeren, vom Lichtbogen belasteten Kontaktbereich zerstören und daher keine ausreichende Lebensdauer ermöglichen.
Aus letzterem Grund ist die Anordnung gemäß Figuren 1 und 2 nicht zum betriebsmäßigen Schalten der vorkommenden Betriebsströme von einigen 100 A bis zu einigen kA vorgesehen. Die hierbei auftretenden Lichtbögen entstehen zwischen den Kontaktauflagen der sich trennenden Schaltstücke zwar im intensiven Mode, mit zunehmenden Kontaktabständen gehen sie aber in den diffusen Mode über. Dabei dehnen sich die Lichtbogenansätze auf den Elektroden größenmäßig aus und können so in unerwünschten Schaltkammergebieten brennen.
In Figur 3 und Figur 4 ist jeweils die verbesserte Löschblechanordnung dargestellt. Die Schalteranordnung 1 bis 4 mit den schnabelförmigen Kontaktträgern 4 und den Kontakten 9 entspricht der Figur 1 bzw. 2. Dargestellt ist nunmehr eine Anordnung von Löschblechen 36a bis 36i, bei denen die einzelnen Löschbleche eine unterschiedliche laterale Ausdehnung haben. Während die einzelnen Löschbleche an der rechten Seite bündig enden und in einer in der Figur 3 nicht dargestellten Halterung aus elektrisch isolierendem, nicht gasendem Material befestigt sind, sind sie an der gegenüberliegenden Seite unterschiedlich lang. Das komplette Löschblechpaket 36 bildet an dieser Seite insgesamt in etwa ein dreieckförmiges Profil.
An diesem Profil bildet sich bei geöffneten Kontakten 9 entlang der schnabelförmigen Verlängerung 4 der in Figur 3 dargestellten Anordnung ein solcher Lichtbogen 100 aus, der gegenüber einem Lichtbogen bei einer Anordnung mit nicht gestaffelten Löschblechen erheblich verlängert ist. Der Lichtbogen 100 hat durch seine längenmäßige Vergrößerung wirksamere Berührungsflächen mit den Löschblechenden, so dass zumindest eine bessere Kühlung erfolgt. Damit ist - auch unabhängig von einem Eindringen des Lichtbogens 100 in die Zwischenräume des Löschblechpaketes 36 - eine verbesserte Kühlwirkung gegeben, so dass eine besonders wirksame Strombegrenzung möglich wird.
Aus der Figur 4 ergibt sich in der Draufsicht die gestaffelte Anordnung der Löschbleche. Es sind hier weiterhin seitliche und rückseitige Halterungen 37 und 38 dargestellt.
Speziell aus der Figur 5 ergibt sich die Wirkung des Löschblechpaketes 36 sowohl im geschlossenen Kontaktzustand als auch bei geöffneten Kontakten 9. Dabei sind die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 3 verwendet.
In Abwandlung zu Figur 5 kann es vorteilhaft sein, das zentrale Löschblech 36e, das in Figur 5 bis in den Kontaktspalt reicht, zurückzunehmen, so dass sich für das Löschblechpaket insgesamt von der Dreiecksform eine abweichende Kontur ergibt. Insbesondere ein Materialabbrand durch eine vom Lichtbogen verursachte Metalldampfentwicklung, der zwangläufig eine Änderung der Geometrie zur Folge hätte, wird dadurch vermieden.
Bei den Figuren 3 bis 5 bestehen der Schaltbolzen aus OFHC-Kupfer, an denen die eigentlichen Kontaktstücke 9 aus Kontaktmaterial, beispielsweise CuCr50, angeordnet sind. Die einzelnen Löschbleche des Löschblechpaketes mit vorgegebenem Endprofil bestehen aus Eisen, Stahl oder Kupfer, insbesondere OFHC-Kupfer. Insbesondere Eisen ist ggf. auch ein spezifischer Stahl, ist magnetisierbar, wodurch das Laufen des Lichtbogens in das Löschblechpaket begünstigt wird. Speziell Eisen wird zur Korrosionsverhinderung galvanisch vernickelt.
In den Figuren 6 und 7 bedeuten 11 und 12 zwei Kontaktbolzen zur Stromführung, von denen einer über einen nicht dargestellten Federbalg beweglich ausgebildet ist. Auch die eigentliche Vakuumschaltröhre ist nicht im Einzelnen dargestellt. Es sind Kontaktstücke 13 und 14 vorhanden, die jeweils entsprechende Schlitze zur Generierung von radialen bzw. transversalen Magnetfeldern aufweisen. Zwischen den seitlich abgeschrägten Kontakten 13 und 14 ist eine Anordnung 15 vorhanden, die im Einzelnen aus einzelnen Teilerplatten 16a bis 16h und zugehörigen Keramik- bzw. Metallteilen besteht. Insbesondere sind die Teilerplatten 16a bis 16h endseitig in eine Keramikhalterung 17 eingebracht und ist gemäß Figur 6 wenigstens ein Radialschlitz 18 vorhanden.
Mit dieser Anordnung soll für eine gewünschte Strombegrenzung im Kurzschlussfall entweder eine Aufspaltung des Lichtbogens in hintereinander liegende Teillichtbögen oder eine intensive Kühlung der Lichtbogensäule an den Löschblechkonturen erreicht werden. Gleichzeitig wird nunmehr erfindungsgemäß durch die in den Figuren 8 und 9 dargestellte Anordnung auch der bei Betriebsströmen auftretende diffuse Bogenmode beherrscht. Beide Anordnungen, d.h. die Anordnung gemäß Figur 6/7 und die Anordnung gemäß Figur 8/9, bestehen im wesentlichen aus zwei Schaltstücken und kreisringförmigen Lichtbogenteilerplatten, die zwischen diesen angeordnet sind.
Basis dieser Ausführungsformen ist, dass die Funktionsweise von Vakuumschaltkontakten mit Radialmagnetfeld und umlaufendem Lichtbogen dahingehend modifiziert wird, dass der umlaufende Lichtbogen durch das Magnetfeld in einen Löschblechstapel gelenkt und dadurch, unter Beibehaltung der Rotation, in eine Serie von hintereinander geschalteten, rasch umlaufenden Einzellichtbögen aufgespaltet wird. Durch diese bisher nicht bekannte Maßnahme kann sowohl die thermische Belastung aller betroffenen Kontaktteile niedrig gehalten werden, als auch gleichzeitig ein so großer Betrag an Brennspannung aufgebaut werden, dass der prospektive Kurzschlussstrom auf in dieser Geometrie beherrschbare Amplituden begrenzt wird.
Die Schaltstücke 13 und 14 weisen in ihrem Grundriss Ähnlichkeiten mit in der Vakuumschalttechnik verwendeten Spiralkontakten auf. In diesem Fall besitzt die auf den intensiven Lichtbogen, der zwischen den sich trennenden Kontaktauflagen entsteht, wirkende Magnetkraft Komponenten, die den Lichtbogen in Richtung Laufring treiben. Bei dieser Lichtbogenwanderung wird durch Abschrägung der Schaltstücke eine Verlängerung des Lichtbogens erreicht. Während dieses Bewegungsvorganges wird der Lichtbogen in den diffusen Mode übergehen und sich dabei über die gesamte Schaltstückfläche ausdehnen, wenn ein vom Schaltstückdurchmesser D abhängiger Grenzstrom von IG ≈ 15 - 25 kA nicht überschritten wird. Bei Momentanströmen, die über diesem Grenzwert liegen, bleibt der Lichtbogen dagegen im kontrahierten Mode erhalten, wobei sein Spannungsbedarf beim Wandern infolge der Verlängerung auf einige 100 V zunimmt und somit die Strombegrenzung wirksam wird. In der Nähe des Laufrings wird der Spannungsbedarf eines langen Lichtbogens zumindest für die immer wieder auftretenden instabilen Bogenkonfigurationen größer sein als die Summe des Spannungsbedarf von Teillichtbögen, die zwischen zwei Teilerplatten bzw. zwischen einem Laufring und einer Teilerplatte brennen. Für solche Lichtbogenkonfigurationen erfolgt innerhalb weniger µs die Kommutierung des langen Bogens in den Bereich der Teilerplatten und seine Aufteilung. Bei diesem Vorgang werden die Brennspannung und die damit verbundene Strombegrenzung nur unwesentlich reduziert. Erst wenn vor Stromnull der Momentanstrom den Grenzwert IG unterschreitet, zieht sich der Lichtbogen aus dem Teilerplattenbereich zurück und wechselt in den diffusen Mode. Er breitet sich dabei über die Schaltstückoberfläche aus, und die Bogenspannung sinkt mit abnehmendem Strom ebenfalls ab.
Die Laufrichtung der zwischen den Teilerplatten entstehenden kontrahierten Lichtbögen ist durch das lokale Magnetfeld bestimmt, das von der Stromführung in den Schaltstücken bzw. Laufringen und den Teilerplatten abhängt. Sie kann deshalb für die einzelnen Bögen, wie anhand der Figuren 7 und 9 für einen Ausschnitt der Teilerplatten und Laufringe gezeigt wird, unterschiedlich sein.
Da die strombegrenzende Wirkung bei einer Abschaltung möglichst schnell einsetzen soll und unmittelbar mit dem Lichtbogenspannungsaufbau zusammenhängt, muss der Lichtbogen rasch von den Kontaktauflagen in Richtung der Teilerplatten wandern. Außerdem muss die Kommutierung in den Bereich der Teilerplatten zügig erfolgen, damit Neuzündungen im Rücken des Bogens und damit Bogenspannungseinbrüche vermieden werden.
Aus den Figuren 8 und 9 ergeben sich Verbesserungen der gestaffelten Löschbleche speziell für eine axiale Symmetrie. Im Einzelnen ist hier ein Löschblechpaket 86 mit innenseitig gestaffelten Löschblechen 86a bis 86i und weiteren Löschblechen 86j bis 861 dargestellt. Alle Löschbleche 86a bis 861 sind rückseitig in einer Isolieranordnung 87 befestigt, die gleichzeitig die Wandung der Vakuumschaltröhre sein kann. Bei dieser Anordnung liegen in Bezug auf die Kontaktanordnung axialsymmetrische Löschbleche vor.
Die bekannte Vakuumschaltröhre mit strombegrenzender Eigenschaft besteht somit aus mindestens zwei Kontakten mit Maßnahmen zur Erzeugung von radial gerichteten Magnetfeldern, von denen mindestens ein Kontakt in Richtung der Stromzuführung gegenüber dem anderen Kontakt beweglich ist, aus einer vakuumdichten Hülle, einem Isolator sowie einem elektrisch weitgehend isoliert angebrachten, die Hauptkontakte umschließenden Löschblechpaket zur Lichtbogenaufteilung.
Die gestaffelt angeordneten und/oder geformten Löschbleche bringen beachtliche technische Verbesserungen: Der vom Entstehungsort weglaufende Lichtbogen erreicht die mittleren Löschbleche unmittelbar nach Kontakttrennung. Die kühlende Wirkung der mittleren Löschbleche erfolgt daher ohne Verzögerung, ebenso eine eventuelle Bildung von Teillichtbögen zumindest in den mittleren Löschblechspalten. Die Strombegrenzung infolge erhöhter Bogenspannung tritt somit vorteilhaft frühzeitig bei Überlast ein.
Die Lage der vom Lichtbogen beanspruchten Löschblechkanten erzwingt eine Verlängerung des Lichtbogenfadens vor bzw. statt einer Teilung durch die Löschbleche in transversaler bzw. radialer Richtung. Sie bewirkt insbesondere eine bessere Kühlung des Lichtbogens durch die lange Berührungszone zwischen Lichtbogen und Löschblechen. Der damit einhergehende erhöhte Bogenspannungsbedarf vor Eintritt in die Löschblechspalte begünstigt die Bildung von Lichtbogenfußpunkten auf den Löschblechen. Die angegebenen geometrischen Maßnahmen wirken sich somit vorteilhaft auf den Aufbau erhöhter Bogenspannungsamplituden aus.
Auch die Formen der beschriebenen Löschbleche können vorteilhaft weitergebildet werden. Einerseits verbessert eine große Länge der dem Lichtbogen ausgesetzten Kante die Kühlung des Lichtbogens. Andererseits bewirken die große Kantenlänge und gegebenenfalls eine strukturierte, unebene oder mit Öffnungen versehene Löschblechoberfläche die Wahrscheinlichkeit, Lichtbogenansätze auf den Blechen zu bilden. Beide Eigenschaften begünstigen den Bogenspannungsaufbau.
Nach Kontakttrennung wird der Lichtbogen wirksam in Richtung des Löschblechpaketes getrieben, da weder die erfindungsgemäße Staffelung der Löschbleche, noch der durch die Lichtbogenbeanspruchung der Bleche gebildete Metalldampf die Ausbildung einer Stromschleife behindern.
Ausschaltversuche an den in Figur 3/4 dargestellten schnabelförmigen Vakuumschaltkontakten mit gestaffelt angeordneten Löschblechen haben gezeigt, dass deutlich höhere Bogenspannungsamplituden gemessen werden als im Falle nicht gestaffelter, d.h. gestapelter Löschbleche, wobei der Kurzschlussstrom weiter begrenzt wird.
Bei hohen Kurzschlussströmen führen somit die erfinderischen Maßnahmen insgesamt zu einem unverzögert einsetzenden, starken Bogenspannungsbedarf, der ein deutlich verbessertes strombegrenzendes Schaltverhalten bewirkt.
In der Figur 10 ist an der dem Lichtbogen zugewandten Kante der Löschbleche 86a bis 86i eine Kontur 90 angebracht. Die Kontur 80 kann insbesondere eine regelmäßige Zackenform aufweisen und dient der Verlängerung des Löschblechrandes. Die Kontur 90 kann aber auch unregelmäßig ausgebildet sein, wobei eine solche Kontur von der Schlitzung der Spiralkontakte abhängt.
Vakuumschaltröhren mit den erfindungsgemäßen Kontaktkonfigurationen und Löschblechanordnungen gemäß den Figuren 3 bis 5 einerseits und den Figuren 8 bis 10 andererseits lassen sich in Anlehnung an die Figuren 1/2 und 6/7 des Standes der Technik realisieren.
Es wurden Messungen an schnabel- und rotationsförmigen Kontaktstücken ohne Strombegrenzung und mit Strombegrenzung bei gestapelten Löschblechen einerseits und gestaffelten Löschblechen andererseits durchgeführt. Figur 11 zeigt typische Zeitverläufe der Bogenspannung für die rotationssymmetrische Anordnung. Aufgetragen ist auf der Abszisse die Zeit in s und auf der Ordinate die Bogenspannung in Volt. Dargestellt sind die Graphen 101 bis 103 zum Vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik.
Der Graph 103 einer Messung mit Löschblech-Staffelung beinhaltet gegenüber dem Graph 102 der Messung ohne Löschblechstaffelung, aber Stapelung, und dem Graphen 101 ohne Strombegrenzung eine beachtliche Verbesserung zu höheren Bogenspannungen, was als technischer Fortschritt zu werten ist.
Auf der Basis der gemessenen Bogenspannungen ergibt sich mit einer Anordnung gemäß Figur 8/9 eine deutliche Verringerung des Kurzschlussstromes. Diese Verringerung erfolgt bei der Staffelung der Löschbleche wesentlich deutlicher als bei der Stapelung der Löschbleche. Damit ist natürlich auch die Kurzschlussdauer geringer.

Claims (13)

  1. Anordnung zur Strombegrenzung in Niederspannungsnetzen, enthaltend eine Vakuumschaltröhre mit zwei Schaltstücken, wobei als Mittel zur Strombegrenzung Löschbleche für den Lichtbogen, die zumindest teilweise zwischen den Schaltstücken angeordnet sind, vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschbleche (36a bis 36i, 86a bis 86i) unterschiedliche laterale Ausdehnungen haben und in Richtung auf die Schaltstücke (3, 4; 13, 14) gestaffelt angeordnet sind.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von den Löschblechen (36a bis 36i, 86a bis 86i) gebildete Löschblechpaket (36, 86) das Kontaktprofil der Schaltstücke (3, 4; 13, 14) nachbildet.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenen Schaltstücken (3, 4; 13, 14) die äußeren Löschbleche (36a bis 36i; 86a bis 86i) bis nahe an die Schaltstücke (3, 4; 13, 14) heranreichen.
  4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Löschbleche (36a bis 36i; 86a bis 86i) bis zum halben Kontakthub, vorzugsweise bis zu etwa 3mm, an die Schaltstücke (3, 4; 13, 14) heranreichen.
  5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Kontaktspaltnähe angeordneten mittleren Löschbleche (36e, 86e) einen geringeren Abstand zu den Schaltstücken (3, 4; 13, 14) als die äußeren Löschbleche (36a bis 36d, 36f bis 36i, 86a bis 86d, 86f bis 86i) haben.
  6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschblechpaket (36, 86) ein solches Profil umfasst, welches einer spezifischen Kontaktkonfiguration nachgebildet ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschbleche (36a bis 36i; 86e bis 86i) ein Paket (36, 86) bilden, das mit den Löschblechen (36a bis 36i, 86a bis 86i) einen dreieckförmigen Verlauf hat.
  8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Löschblech (36e, 86e) gegenüber den beiden benachbarten Löschblechen (36d, 36f; 86d 86f) rückwärts versetzt ist.
  9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschbleche (36a bis 36i, 86a bis 86i) aus Eisen, Edelstahl oder Kupfer bestehen.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Löschblechpaket (36, 86) in einer elektrisch isolierenden, nicht gasenden Halterung (37, 87), vorzugsweise aus Keramik, fixiert ist.
  11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschbleche (36a bis 36i, 86a bis 86i) eine Randkontur (90) aufweisen.
  12. Anordnung nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, dass mit der Randkontur die dem Kontaktspalt zugewandten Löschblechfront (90) vergrößert wird.
  13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschbleche (36a bis 36i, 86a bis 86i) Oberflächenstrukturen aufweisen.
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