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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper für einen Leistungsschalter. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Leistungsschalter, der mit einem derartigen Kühlkörper ausgestattet ist.
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Die Übertragung von elektrischer Energie durch einen Leistungsschalter erzeugt eine beträchtliche Menge an Wärme. Internationale Konstruktions- und Prüfnormen spezifizieren die zulässigen Temperaturgrenzen an bestimmten Stellen im Leistungsschalter, um einen sicheren Betrieb sicherzustellen. Um diese Temperaturgrenzen einzuhalten, besitzen Leistungsschalter meist Kühlelemente wie bspw. Kühlkörper und besondere Modifikationen beziehungsweise Designs am Strompfad, um deren Oberflächen zu vergrößern und die Wärme an die Umgebungsluft besser abzugeben. Herkömmlicherweise besitzen Kühlkörper und Strompfadkonfigurationen Elemente in Formen von Lamellen oder Rippen mit einer abgerundeten Oberfläche zur Reduktion der elektrischen Feldstärke. Damit können gleichzeitig die anspruchsvollen dielektrischen Anforderungen erfüllt als auch eine Kühlung bereitgestellt werden.
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Derartiger Stand der Technik weist jedoch noch Verbesserungspotential auf. Insbesondere weisen derartige Lösungen Verbesserungspotential auf hinsichtlich der Effizient der Kühlung.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche eine gute Kühleffizienz von Leistungsschaltern erlaubt werden kann, wobei gleichzeitig eine gute dielektrische Abschirmung möglich ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß zumindest zum Teil durch einen Kühlkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner zumindest zum Teil durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
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Beschrieben wird ein Kühlkörper zum Kühlen eines Leistungsschalters, wobei der Kühlkörper an einem Entwärmungspfad eines Leistungsschalters positionierbar ist, wobei der Kühlkörper wenigstens einen Kühlbereich mit einer Mehrzahl an Kühlstiften aufweist, wobei die Kühlstifte nach außen zumindest zum Teil innerhalb eines Kühlkörpergehäuses angeordnet sind und wobei die Kühlstifte mit einem Kühlgas umströmbar sind.
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Ein derartiger Kühlkörper erlaubt signifikante Vorteile gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik.
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Der Kühlkörper dient somit dem Kühlen eines Leistungsschalters. Grundsätzlich kann der Leistungsschalter in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein und zwei miteinander verbindbare und trennbare Kontakte aufweisen, etwa indem ein Kontakt feststeht und ein zweiter Kontakt verfahrbar ist. Dadurch kann eine Schaltfunktionalität erlaubt werden. Ferner kann der Leistungsschalter beispielsweise eine gasisolierte Schaltanlage (GIS) ausbilden. Derartige Schaltanlagen ermöglichen aufgrund des vorhandenen Isoliergases, wie etwa Schwefelhexafluorid oder auch halogenfreier Isoliergase, kurze Isolationsstrecken und dadurch eine vergleichsweise kompakte Bauform.
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Bekannt ist bei derartigen Leistungsschaltern, dass es im Betrieb zu Erwärmungen der stromführenden Teile kommt, insbesondere den Hauptstrombahnen. Die Erwärmung resultiert insbesondere aus der Verlustleistung der Hauptstrombahnen aufgrund deren Widerstand. Entsprechend ist eine Kühlung für elektrische Leistungsschalter notwendig.
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Um dies zu realisieren ist der Kühlkörper an einer Entwärmungsposition eines Leistungsschalters, beispielsweise einer Vakuumschaltröhre, positionierbar. Unter einer Entwärmungsposition kann dabei insbesondere eine derartige Position verstanden werden, an der eine Kühlung des Leistungsschalters beziehungsweisweise der Vakuumröhre möglich ist. Beispielsweise ist eine Entwärmungsposition Teil eines Entwärmungspfades.
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Der Kühlkörper umfasst wenigstens einen Kühlbereich mit einer Mehrzahl an Kühlstiften. Beispielsweise umfasst der Kühlkörper beziehungsweise der Kühlbereich wenigstens zehn, etwa wenigstens fünfzehn auch als Kühlpins zu bezeichnende Kühlstifte. Diese können durch Auswahl des Durchmessers und/oder der Länge gut an das gewünschte Anwendungsgebiet beziehungsweise die gewünschte Kühlleistung anpassbar sein, beispielsweise einen Durchmesser in einem Bereich von 1... 10 mm und eine Länge in einem Bereich von 10... 300 mm aufweisen. Zweckmäßigerweise sind die Kühlstifte aus einem gut thermisch leitenden Material ausgebildet, wie etwa einem Metall, bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium. Jedoch sind die Vorteile des beschriebenen Kühlkörpers nicht auf diese Materialien begrenzt. Insbesondere können die Kühlstifte zumindest zum Teil, beispielsweise sämtlich Kühlstifte, parallel verlaufen. Die spezifische Anordnung der Kühlstifte kann jedoch in für den Fachmann verständlicherweise in Abhängigkeit der konkreten Anwendung gewählt werden.
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Die Kühlstifte sind zumindest zum Teil innerhalb eines Kühlkörpergehäuses angeordnet und dadurch nach außen durch das Gehäuse zumindest teilweise abgedeckt. Dies ermöglicht eine vorteilhafte dielektrische Abschirmung.
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Darüber hinaus sind die Kühlstifte von außen, also von außerhalb des Kühlkörpergehäuses, mit einem Kühlgas, im einfachsten Fall mit Luft, umströmbar. Dadurch können die Kühlstifte als passive Kühlstrukturen dienen, also insbesondere durch Konvektion kühlen. Alternativ ist es jedoch auch möglich und von der vorliegenden Erfindung umfasst, dass eine Kühlung mittels eines Lüfters unterstützt wird, um so aktiv eine Luftströmung an die Kühlstifte zu leiten, um diese zu umströmen.
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Der vorbeschriebe Kühlkörper erlaubt ein besonders effektives Kühlverhalten. Durch die Mehrzahl an Kühlstiften kann auch bei geringem Bauraum eine besonders große Kühloberfläche erlaubt werden. Entsprechend kann bei verglichen mit Lösungen aus dem Stand der Technik gleichem Bauraum eine verbesserte Kühlleistung erlaubt werden oder bei gleicher Kühlleistung eine kompaktere Ausbildung.
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Im Detail kann eine verbesserte Kühlleistung durch eine gesteigerte Kühloberfläche bei gleichzeitiger erhöhter Wärmeabfuhr durch Konvektion erzielt werden, insbesondere in Bereichen nahe der Wärmequelle beziehungsweise an einer Verbindungsstelle zur Vakuumschaltröhre.
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Die Ausgestaltung mit Kühlstiften kann dabei in sehr anpassbarer und variabler Weise erfolgen, um so eine Anpassung an gewünschte konkrete Anwendungen beziehungsweise Kühlgeometrien zu erlauben. Die Ausrichtung der Kühlstifte kann in allen drei Raumdimensionen erfolgen, insbesondere auch ausgehend von einem Verbindungsbereich zu einem Polkopf einer Schaltröhre, in gegenüberliegender Richtung oder auch rechtwinklig hierzu. Das kann auch gemeinsam innerhalb eines Ausführungsbeispiels erfolgen.
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Der Abstand, die Länge und der Durchmesser der Kühlstifte können variieren. Die Kühlstifte können bedarfsweise auch in jedweder Form, etwa nicht-linearer Form bzw. geschwungen, wie etwa wellenförmig geformt beziehungsweise angeordnet sein.
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Diesbezüglich sei ausgeführt, dass die Funktion des Kühlkörpers unabhängig vom Herstellprozess des Kühlkörpers ist. Durch die Anwendung innovativer Verfahren wie beispielsweise Additive Manufacturing (AM) lassen sich um 90° senkrecht gedrehte Kühlstifte vereinfacht und massentauglich fertigen. Grundsätzlich können somit verschiedenste Strukturen problemlos erzeugbar sein oder erzeugt werden.
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Eine Perforation, also ein zumindest teilweises Versehen mit Durchgangslöchern, auch als Durchströmungskanäle zu bezeichnen, des Kühlkörpers oder auch der Kühlstifte kann nach Belieben realisiert werden, unabhängig von der exakten Position. Dadurch kann die Konvektion und somit die Kühlung weiter verbessert werden, indem die Kühlstifte von dem Kühlgas nicht nur umströmt, sondern auch durchströmt werden.
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Ein Vorteil der Verwendung von etwa perforierten Kühlstiften kann ferner in einem verringerten Materialeinsatz ermöglicht werden.
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Bevorzugt ist der Kühlkörper aus einem ersten Kühlkörperteil und einem zweiten Kühlkörperteil ausgebildet, wobei das erste Kühlkörperteil erste Kühlstifte aufweist und wobei das zweite Kühlkörperteils zweite Kühlstifte aufweist. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann die konkrete Ausgestaltung der Kühlstifte an sich aber auch in Bezug aufeinander frei wählbar sein. Darüber hinaus kann eine einfache und problemlose Montage ermöglicht werden.
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Die ersten und die zweiten Kühlstifte können dabei gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein.
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Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass die ersten Kühlstifte und die zweiten Kühlstifte koaxial angeordnet sind und in entgegengesetzter Richtung verlaufen. In dieser Ausgestaltung können je nach konkreter Formung und Positionierung eine besonders hohe Stabilität oder eine besonders gute Entwärmung ermöglicht werden.
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Beispielsweise, wenn die Enden der ersten Kühlstifte und die Enden der zweiten Kühlstifte sich zumindest zum Teil berühren, kann eine besonders gute mechanische Stabilität ermöglicht werden. Darüber hinaus kann eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers ermöglicht werden.
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In dieser Ausgestaltung sind die Längen der Kühlstifte somit derart aneinander angepasst, dass in einem zusammengebauten Zustand der Kühlkörperteile die Kühlstiftenden aneinander liegen.
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Beispielsweise können die Kontaktflächen der Kühlstifte aneinander angepasst sein. In dieser Ausgestaltung kann ein Kontakt im Sinne einer „Nut-Feder-Verbindung“ ermöglicht werden, so dass etwa ein Kühlstiftende zumindest zum Teil in das Ende des anderen Kühlstifts hineintaucht beziehungsweise hinein verläuft. Dies kann etwa realisierbar sein, indem ein Kühlstiftende eine konkave Form aufweist und das gegenüberliegende Kühlstiftende eine konvexe Form aufweist.
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Alternativ oder zusätzlich können die Enden der ersten Kühlstifte und die Enden der zweiten Kühlstifte zumindest zum Teil voneinander beabstandet sein. In dieser Ausgestaltung kann die zur Kühlung bereitstehende Oberfläche der Kühlstifte besonders groß sein, so dass die Kühlung besonders effektiv sein kann.
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Weiter bevorzugt können die ersten Kühlstifte unterschiedliche Längen aufweisen und können die zweiten Kühlstifte unterschiedliche Längen aufweisen, so dass die ersten Kühlstifte zumindest zum Teil zwischen den zweiten Kühlstiften verlaufen. Auch in dieser Ausgestaltung kann die Stabilität des Kühlkörpers besonders hoch sein.
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Grundsätzlich sind sämtliche vorgenannten Ausgestaltungen der ersten und zweiten Kühlstifte - also insbesondere mit sich berührenden Kühlstiften, mit beabstandeten Kühlstiften, mit unterschiedlichen Längen der Kühlstifte, so dass die ersten Kühlstifte zumindest zum Teil zwischen den zweiten Kühlstiften verlaufen - möglich unabhängig davon, ob der Kühlkörper einteilig oder mehrteilig ausgestaltet ist.
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Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass der Kühlkörper ein Kühlkörpergehäuse aufweist, an dem außenseitig Kühlstrukturen angeordnet sind. In dieser Ausgestaltung kann somit eine Kühlung innerhalb des Kühlkörpergehäuses durch die Kühlstifte kombiniert werden mit einer Kühlung außerhalb des Kühlkörpergehäuses. Die äußeren Kühlstrukturen können etwa ebenfalls durch Kühlstifte oder bevorzugt durch Kühlrippen ausgebildet sein. Auch in dieser Ausgestaltung kann eine besonders effektive Kühlung erlaubt werden.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Kühlkörpers wird hiermit auf die Beschreibung des Leistungsschalters, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.
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Beschrieben wird ferner ein Leistungsschalter, aufweisend einen Kühlkörper zum Kühlen des Leistungsschalters, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper ausgebildet ist, wie vorstehend beschrieben.
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Durch die Ausstattung eines Leistungsschalters mit einem beschriebenen Kühlkörper lassen sich insbesondere die Vorteile erzielen wie vorstehend beschrieben. Es kann eine besonders effektive Kühlung ermöglicht werden einhergehend mit einer sehr kompakten Bauform.
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Besonders bevorzugt kann der Kühlkörper an einem Polkopf des Leistungsschalters beziehungsweise einer Vakuumschaltröhre des Leistungsschalters angeordnet sein. An derartigen Positionen kann eine Entwärmung besonders sinnvoll sein. Insbesondere an derartigen Positionen tritt eine große Wärmemenge auf, so dass eine Kühlung an den Polköpfen von großer Wichtigkeit ist. Somit kann insbesondere an diesen Positionen die in einer Vakuumschaltröhre entstehende Wärme effektiv abgeführt werden.
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Beispielsweise kann der Leistungsschalter Teil einer Mittelspannungsschaltanlage oder einer Hochspannungsschaltanlage sein. Unter einer Mittelspannungsschaltanlage soll dabei eine Schaltanlage verstanden werden, welche Spannungen von etwa ab 1 kV bis zu 60 kV schalten kann. Ferner kann unter einer Hochspannungsschaltanlage eine derartige Schaltanlage verstanden werden, bei der Spannungen von über 60 kV schaltbar sind.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Leistungsschalters wird hiermit auf die Beschreibung des Kühlkörpers, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Figur. In den Figuren zeigen:
- 1 eine Darstellung zeigend einen zweiteiligen Kühlkörper für einen Leistungsschalter gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Darstellung zeigend ein erstes Kühlkörperteil eines Kühlkörpers gemäß 1;
- 3 eine Darstellung zeigend den Kühlkörper aus 1 an einem Festkontakt eines Leistungsschalter;
- 4 eine Darstellung zeigend den Kühlkörper aus 1 an einem Bewegkontakt eines Leistungsschalters; und
- 5 eine Darstellung eines Kühlstifts für einen Kühlkörper.
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In der 1 ist eine Darstellung zeigend einen Kühlkörper 1 für einen Leistungsschalter gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Der Kühlkörper 1 ist zweiteilig ausgebildet und umfasst ein erstes als erste Kühlkörperhalbschale ausgebildetes Kühlkörperteil 100 und ein zweites als zweite Kühlkörperhalbschale ausgebildetes Kühlkörperteil 200. Die Kühlkörperteile 100, 200 weisen ein Kühlkörpergehäuse 110, 210 auf, welche einen Kühlbereich 111, 112 teilweise umschließen, in welchem erste Kühlstifte 112 des ersten Kühlkörperteils 100 und zweite Kühlstifte 212 des zweiten Kühlkörperteils 200 angeordnet sind. Ein erster Kühlstift 112 ist in der 5 gezeigt, wobei der erste Kühlstift 112 in dieser Ausgestaltung eine Mehrzahl an Durchströmungskanälen 113 für eine verbesserte Konvektion aufweist.
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Die Kühlkörpergehäuse 110, 210 weisen an einem Endbereich eine glatte Außenseitenfläche 114, 214 auf, welche bis zu einer Stirnseite 116, 216 verlaufen. Die Stirnseiten 116, 216 zeigen zueinander und können voneinander mit einem insbesondere dünnen Spalt beabstandet sein oder aneinander liegen. In einer zu den glatten Außenseitenfläche 114, 214 rechtwinkligen Ebene verlaufen ferner eine erste Seitenfläche 118 als Bestandteil des ersten Kühlkörperteil 100 und eine zweite Seitenfläche 218 des zweiten Kühlkörperteils 200. Die Seitenflächen 118, 218 sind mit Kühlfinnen 120, 220 versehen, welche einer äußeren Kühlung dienen.
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Hinsichtlich der Kühlstifte 112, 212 ist wie vorstehend angedeutet gezeigt, dass diese nach außen zumindest zum Teil innerhalb des Kühlkörpergehäuses 110, 210 angeordnet sind und von außen umströmbar sind. Dies ermöglicht eine rein passive Kühlung als auch eine aktive Kühlung mittels eines Lüfters.
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Die ersten Kühlstifte 112 und die zweiten Kühlstifte 212 sind koaxial angeordnet sind und verlaufen in entgegengesetzter Richtung, indem sie an den gegenüberliegenden, die Seitenflächen 118, 218 aufweisenden, Seitenteilen 122, 222 befestigt sind, wobei sich die Enden der ersten Kühlstifte 112 und die Enden der zweiten Kühlstifte 212 berühren.
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Es ist ferner gezeigt, dass die ersten Kühlstifte 112 unterschiedliche Längen aufweisen und dass die zweiten Kühlstifte 212 unterschiedliche Längen aufweisen, so dass die ersten Kühlstifte 112 zumindest zum Teil zwischen den zweiten Kühlstiften 212 verlaufen und die zweiten Kühlstifte 212 zumindest zum Teil zwischen den ersten Kühlstiften 112 verlaufen.
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Das erste Kühlkörperteil 100 und das zweite Kühlkörperteil 200 weisen einen Durchgangsbereich 124, 224 auf, durch welche zumindest ein Teil eines Polkopfes 310 einer Vakuumschaltröhre 312 des Leistungsschalters 300 verlaufen kann. Entsprechend kann der Kühlkörper 1 an einem Entwärmungspfad der Vakuumschaltröhre 312 positionierbar sein. Für eine Befestigung des Kühlkörpers 1 an dem Polkopf 310 sind Befestigungslöcher 126 vorgesehen. Ferner kann eine glatte Innenwandfläche 128 vorgesehen sein.
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Die Durchgangsbereiche 124, 224 sind von den Kühlbereichen 111, 211 durch eine als Mittelwand zu bezeichnende Abtrennung 130, 230 getrennt. Die zueinander gerichteten Stirnseiten 132 der Abtrennung 130, 230 können aneinander liegen oder auch beabstandet sein. Ein Berühren der Stirnseiten 132 der Abtrennungen 130, 230 ist vorteilhaft für die Wärmeleitung und somit die Kühleigenschaften und die mechanische Stabilität der gezeigten Ausgestaltung.
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In der 3 ist ein Teil einer Vakuumschaltröhre 312 gezeigt. In der Vakuumschaltröhre 312 ist ein Festkontaktstab 314 gezeigt, der durch einen Festkontaktflansch 316 zu einem Festkontaktanschluss 318 verläuft. Ein Temperatur-Messpunkt 320 ist an einem Festkontaktkühlkörper 322 angeordnet, wobei der Festkontaktkühlkörper 322 ein Kühlkörper 1 wie vorstehend beschrieben sein kann. Insbesondere an diesen Positionen kann effektiv gemessen werden, ob ein Entwärmung des Leistungsschalters 300 beziehungsweise der Vakuumschaltröhre 312 ausreichend ist.
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Die 4 zeigt von der Vakuumschaltröhre 312 den Bewegkontaktanschluss 324. Im Detail ist der Bewegkontaktstab 326 gezeigt, der in dem Bewegkontaktflansch 328 verläuft und der von einem Balg 330 zwischen Bewegkontaktstab 326 und Bewegkontaktflansch 328 umgeben ist, um eine Bewegung auszugleichen. Der Bewegkontaktstab 326 liegt ferner in einer Bewegkontaktbefestigung 332, an welcher ein Bewegkontaktkühlkörper 334 anliegt, wobei der Bewegkontaktkühlkörper 334 ein Kühlkörper 1 sein kann, wie vorstehend beschrieben.
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Es ist ferner ein Stromband 336 gezeigt, welches den Bewegkontaktstab 326 kontaktiert und das durch ein Strombandbefestigungsmittel 338 fixiert ist.
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Am Bewegkontaktstab 326 und benachbart zum Bewegkontaktkühlkörper 334 ist wiederum ein Temperatur-Messpunkt 340 vorgesehen. Insbesondere an diesen Positionen kann effektiv gemessen werden, ob ein Entwärmung des Leistungsschalters 300 beziehungsweise der Vakuumschaltröhre 312 ausreichend ist.
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Der vorbeschriebene Kühlkörper 1 weist eine Ausgestaltung mit einer erhöhten Kühloberfläche aufweisende Kühlstiften 112, 212 zusätzlich zu Kühlfinnen 120, 220 bei gleichzeitiger dielektrischer Abschirmung in den Schalterraum auf. Die verbesserte Entwärmung am Polkopf 310 der Vakuumschaltröhre 312 resultiert in einer verbesserten Kühlleistung im Leistungsschalter 300 sowie der Schaltanlage. Die erzielte Temperatur-Verbesserung durch die gezeigte Ausgestaltung beträgt beispielsweise 2% oder mehr, bevorzugt 5% oder mehr am gewählten Messpunkt 320, 340.
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Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begriffes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.