DE3786141T2

DE3786141T2 - Vakuumschalter.

Info

Publication number: DE3786141T2
Application number: DE87115035T
Authority: DE
Inventors: Hideo C O Patent Divisi Suzuki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-10-23
Filing date: 1987-10-14
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2007-10-15
Also published as: EP0264814A3; KR910001370B1; CN87107122A; CN1006426B; EP0264814B1; EP0264814A2; US4760223A; KR880005644A; JPS63105419A; DE3786141D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Vakuum-Stromkreis-Unterbrecher, und insbesondere eine Struktur eines Vakuum-Stromkreis-Unterbrechers mit niedriger Überspannung und hohem Stromunterbrechungsvermögen.

Beschreibung des Stands der Technik

Im allgemeinen werden eine hohe Spannungsfestigkeit, eine hohe Festigkeit gegen Schmelzverbinden, eine niedrige Überspannung und ein großes Stromunterbrechungsvermögen eines Vakuum-Stromkreis-Unterbrechers gefordert. Diese Eigenschaften sind stark von der Art des Materials abhängig, das für die Kontaktplatten des Stromkreis-Unterbrechers verwendet wird. Es gibt keine idealen Materialien für Kontaktplatten, mit denen alle diese Eigenschaften erreicht werden können. Deshalb verwenden die meisten Stromkreis-Unterbrecher, in denen der unterbrochene Strom 4 kA (Effektivwert) überschreitet, aufwendige Einrichtungen, wie z. B. eingebaute Wendelelektroden und Vertikalmagnetfeld-Elektroden, wie es aus dem US-Patent 4,367,382 bekannt ist. In einem solchen Stromkreis-Unterbrecher treibt die magnetische Kraft, die vom Strom erzeugt wird, den Lichtbogen dazu, hin- und herzuspringen, was eine lokale Erwärmung der Elektroden verhindert.
In den letzten Jahren sind die Stromversorgungs-Systeme komplexer geworden, und es gibt eine zunehmende Anzahl von Anwendungen, die das Öffnen und Schließen großer induktiver Lasten umfassen. Das Bedürfnis zum Lösen der Überspannungs-Probleme ist deshalb angestiegen. Schädliche Überspannungen können durch Einbauen eines Überspannungs-Absorbers außerhalb eines Vakuum-Stromkreis-Unterbrechers unterdrückt werden. Wenn jedoch ein äußerer Überspannungs-Absorber verwendet wird, erfordert das Gesamtsystem des Vakuum-Stromkreis-Unterbrechers einen großen Installationsraum, der den Stromkreis-Unterbrecher sperrig und weniger wünschenswert macht.
Die japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 60-243919 zeigt einen Vakuum-Unterbrecher mit niedriger Überspannung, der eine Elektrode enthält, welche eine Ag-WC Kontaktplatte mit niedriger Überspannung enthält. Eine Kupfer-Lichtbogenplatte hat einen Durchmesser, der größer als die Kontaktplatte ist und die Oberfläche der Kupfer-Lichtbogenplatte ist silberbeschichtet. Eine Spule ist an der hinteren Oberfläche der Lichtbogenplatte vorgesehen. Die Elektrode bildet eine sogenannte Vertikalmagnetfeld-Elektroden-Struktur, in der ein Magnetfeld parallel zum Lichtbogen zum Zeitpunkt der Unterbrechung erzeugt wird.
Es ist bekannt, daß es wichtig ist, daß der Lichtbogen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Elektroden zur Unterbrechung eines großen Stromes, größer als ungefähr 10kA, verteilt wird. Die stabilisierte Lichtbogenspannung beträgt jedoch ungefähr 20 Volt für Kontaktplatten aus Ag-WC, wohingegen die Lichtbogenspannung für Kupfer-Lichtbogenplatten ungefähr 30 Volt beträgt. Es ist deshalb für einen Lichtbogen schwierig, sich von der Kontaktplatte zur Kupfer-Lichtbogenplatte zu bewegen. Um dieses Problem auszuräumen, wurde eine Silberbeschichtung auf der Kupfer-Lichtbogenplatte ausgeführt, um die Bewegung der Lichtbögen von der Kontaktplatte zu der Kupfer- Lichtbogenplatte zu erleichtern, was eine gleichförmige Verteilung des Lichtbogens über die gesamte Frontaloberfläche der Elektrode bewirkt hat und einen Stromkreis-Unterbrecher mit einem guten Unterbrechungsvermögen ergeben hat. Wenn ein kleiner Strom, kleiner als ungefähr 10kA, unterbrochen wird, kann eine Überspannung auftreten. In diesem Fall bleibt der Lichtbogen jedoch auf der Kontaktplatte mit niedriger Überspannung stehen und eine lokale Erwärmung auf der Elektrode erzeugt keine Probleme.
In den letzten Jahren ist die Forderung nach Verbesserungen von Stromkreis- Unterbrechern aufgetreten, die ein großes Stromunterbrechungs-Wiederholungs-Vermögen, insbesondere in den Bereichen, wo Kurzschluß-Ereignisse häufig sind, bereitstellen. Bei der herkömmlichen, oben beschriebenen Elektrode wandert der Lichtbogen, der zum Zeitpunkt der Unterbrechung großer Ströme auftritt, von der Kontaktplatte zur silberbeschichteten Lichtbogenplatte und verursacht ein Abtragen und ein Verdampfen der Silberbeschichtung. Mit zunehmender Häufigkeit der Unterbrechungen, wird das Silber auf der Oberfläche der Kupfer-Lichtbogenplatte abgetragen. Es ist technisch und wirtschaftlich schwierig, eine dicke Silberbeschichtung auf der Kupfer-Lichtbogenplatte vorzusehen, die eine ausreichend lange Zeit standhält. Wenn die Silberbeschichtung von der Lichtbogenplatte entfernt ist, steigt die Lichtbogenspannung der Lichtbogenplatte auf ein Kupfer-Lichtbogen-Spannungsniveau an, das es für den Lichtbogen schwierig macht, von der Kontaktplatte zur Kupfer- Lichtbogenplatte zu wandern. In einer solchen Situation wird der Lichtbogen nicht länger gleichförmig verteilt.

Überblick über die Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Lebensdauer von Vakuum-Stromkreis-Unterbrechern mit niedriger Überspannung und großem Strom-Unterbrechungs-Vermögen zu verlängern.
Diese Aufgabe wird durch den Stromkreis-Unterbrecher, wie er in Anspruch 1 beansprucht wird, gelöst.
Spezifische Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die bei liegenden Zeichnungen, die in der vorliegenden Patentbeschreibung enthalten sind und einen Teil derselben bilden, zeigen eine Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Ansicht entlang der Linie II-II der Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Ansicht entlang der Linie III-III der Fig. 2.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Ein evakuiertes Gehäuse 10 hat einen Isolationszylinder 12 und ein Paar von Endplatten 14 und 16. Die Endplatten 14 und 16 sind fest abdichtend an den gegenüberliegenden Enden des Zylinders 12 angeordnet. Ein Paar aus trennbaren Elektroden 18 und 20 ist so angeordnet, daß die Elektroden durch die Endplatten 14 und 16 reichen. Eine Elektrode 18 wird von einer stationären Stange 22, die sich durch die Endplatte 14 erstreckt, getragen, wohingegen die andere Elektrode 20 mit einer beweglichen Stange 24 verbunden ist, der sich durch die Endplatte 16 durch einen Balg 26 erstreckt. Ein Lichtbogenschild 28, der die Elektroden 18 und 20 umgibt, ist in dem evakuierten Gehäuse 10 vorgesehen, um zu verhindern, daß Metalldampf, der von den Elektroden 18 und 20 im Zeitpunkt ihrer Trennung erzeugt wird, auf der Innenoberfläche des evakuierten Gehäuses 10 abgelagert wird. Ein Lichtbogen wird zwischen den zwei Elektroden 18 und 20 erzeugt, wenn sie voneinander getrennt werden und der Strom unterbrochen wird.
Die Elektroden 18 und 20 haben die gleiche Konstruktion, und zum Zwecke der Beschreibung wird deshalb nur die Elektrode 20 in den Fig. 2 und 3 gezeigt und nachfolgend beschrieben. Die Elektrode 20 ist vom Aufbau her eine sogenannte Längs-Magnetfeld-Elektrode, in der ein Magnetfeld in einer Richtung parallel zum Lichtbogen erzeugt wird, wie es in dem US-Patent 4,367,382 beschrieben wird.
Die Elektrode 20 hat eine kreisförmige Lichtbogenplatte 40, die rechtwinklig zur Richtung des Lichtbogens angeordnet ist. Die Lichtbogenplatte 40 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. Kupfer, und hat vier Radialschlitze 42. Ein Spulenteil 44 ist an der hinteren Oberfläche der Lichtbogenplatte 40 vorgesehen. Das Spulenteil 44 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. Kupfer, und erzeugt ein Magnetfeld in einer Richtung parallel zum Lichtbogen. Eine Kontaktplatte 46 ist im Zentrum der Lichtbogenplatte 40 befestigt. Die Kontaktplatte 46 besteht aus einer kreisförmigen, flachen Platte mit einem kleineren Durchmesser als dem Durchmesser der Lichtbogenplatte 40. Die Kontaktplatte 46 besteht aus einer Silberlegierung mit niedriger Überspannung, bevorzugt einer Ag-WC gesinterten Legierung. Die Außenoberfläche der Kontaktplatte 46 steht von der Lichtbogenplatte 40 in Richtung der anderen Elektrode 18 ab.
Ein Ring 48, der aus Silber besteht und die Kontaktplatte 46 umgibt und zu ihr benachbart ist, ist auf der Lichtbogenplatte 40 angeordnet. Die Außenoberfläche des Rings 48 steht von der Lichtbogenplatte 40 in Richtung der anderen Elektrode 18 hervor. Die Höhe des Vorsprungs des Rings 48 ist kleiner als die Kontaktplatte 46.
Die Lichtbogenplatte 40 wird von einer Verstärkungsplatte 50, die aus Nickel oder rostfreiem Stahl besteht, getragen. Sie hat einen hohen elektrischen Widerstand, so daß sie die Intensität des erzeugten Magnetfeldes nicht beeinflußt, und sie verhindert eine Deformation oder einen Bruch der Lichtbogenplatte 40 und des Spulenteils 44, die durch mechanische Stöße zum Zeitpunkt des Schließens des Stromkreis-Unterbrechers erzeugt werden können.
Bei der oben beschriebenen Konstruktion ist, wenn der Strom nicht unterbrochen ist, die hervorstehende Außenoberfläche der Kontaktplatte 46 der Elektrode 20 im Kontakt mit der Kontaktplatte der anderen Elektrode 18.
Wenn die Elektroden 18 und 20 getrennt werden und ein großer Strom, der größer als ungefähr 10 kA ist, unterbrochen wird, entwickelt sich ein Lichtbogen zuerst auf der Kontaktplatte 46. Dann wandert der Lichtbogen leicht zu dem Silberring 48 und springt dann auf die silberbeschichtete Lichtbogenplatte 40 über. Da Silberdampf vom Silberring 48 aus, auf den der Lichtbogen aufschlägt, zugeführt wird, wird das Abtragen von Silber weg von der Lichtbogenplatte 40 unterdrückt. Silberdampfpartikel werden auf der Kontaktplatte 46, dem Ring 48 und der Lichtbogenplatte 40 abgelagert, nachdem der Lichtbogen gelöscht ist und der Silberdampf abgekühlt ist. Die Beschichtung aus Silber auf der Lichtbogenplatte 40 wird deshalb sogar nach vielen Unterbrechungsvorgängen aufrechterhalten und die Lebensdauer des Stromkreis- Unterbrechers wird erheblich verlängert.
Im allgemeinen findet eine Überspannung nicht statt, wenn ein hoher Strom unterbrochen wird.
Wenn ein kleiner Strom unterbrochen wird, kleiner als ungefähr 10 kA, findet eine Überspannung statt. In diesem Fall steht der Lichtbogen jedoch auf der Kontaktplatte 46. Da die Kontaktplatte 46 aus einem Material mit niedriger Überspannung besteht, stellt die Überspannung kein Problem dar. Da der Strom klein ist, erzeugt eine lokale Erwärmung der Elektrode im vorliegenden Fall kein Problem.
Die vorhergehende Beschreibung ist nur gemacht worden, um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zu erläutern, und zielt nicht darauf ab, die Erfindung zu begrenzen. Da eine -nderung der beschriebenen Ausführungsform, die vom Prinzip der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht, von Fachleuten durchgeführt werden kann, wird der Bereich der Erfindung alleine durch die angehängten Ansprüche begrenzt.

Claims

1. Stromkreis-Unterbrecher, der aufweist:

ein Paar von Elektroden (18, 20), die relativ zueinander von einer Eingriffsposition in eine eingriffsfreie Position beweglich sind, um einen Stromkreisunterbrechungs-Lichtbogen zwischen den Elektroden zu erzeugen, wobei zumindest eine (20) der Elektroden (18, 20) eine Kontakteinrichtung (46) hat, die aus einem eine Silberlegierung einschließenden Material mit niedriger Überspannung besteht, und die der anderen Elektrode (18) gegenüberliegt, und eine Lichtbogenplatte (40) aus elektrisch leitendem Material mit einer silberbeschichteten Oberfläche hat, die der anderen Elektrode (18) gegenüberliegt und elektrisch mit der Kontakteinrichtung (46) verbunden ist,

und eine Einrichtung (10) zum Einschließen des Elektrodenpaares (18, 20) und zum Aufrechterhalten einer Vakuumatmosphäre um die Elektroden herum, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring (48), der aus Silber besteht, so angeordnet ist, daß er die Kontakteinrichtung (46) umgibt und der anderen Elektrode (18) gegenüberliegt, wobei der Ring elektrisch mit der Kontakteinrichtung (46) verbunden ist.

2. Stromkreis-Unterbrecher nach Anspruch 1, worin die Kontakteinrichtung (46) von der Lichtbogenplatte (40) in Richtung der anderen Elektrode (18) hervorsteht.

3. Stromkreis-Unterbrecher nach Anspruch 2, worin der Ring (48) von der Lichtbogenplatte (40) hervorsteht und die Kontakteinrichtung (46) von dem Ring in Richtung der anderen Elektrode (18) hervorsteht.

4. Stromkreis-Unterbrecher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kontakteinrichtung (46) eine Ag-WC gesinterte Legierung aufweist.

5. Stromkreis-Unterbrecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Lichtbogenplatte (40) im wesentlichen aus Kupfer besteht.

6. Stromkreis-Unterbrecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Außenabschnitt der silberbeschichteten Oberfläche der Lichtbogenplatte (40) den Ring (48) umgibt.

7. Stromkreis-Unterbrecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kontakteinrichtung (46) eine flache Platte ist.

8. Stromkreis-Unterbrecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die andere Elektrode (18) enthält:

eine zusätzliche Kontakteinrichtung, die aus einem eine Silberlegierung einschließenden Material mit niedriger Überspannung besteht, eine zusätzliche Lichtbogenplatte aus elektrisch leitendem Material, die eine silberbeschichtete Oberfläche hat und elektrisch mit der zusätzlichen Kontakteinrichtung verbunden ist, und einen zusätzlichen Ring, der aus Silber besteht und elektrisch mit der zusätzlichen Kontakteinrichtung verbunden ist.