DE3718108A1

DE3718108A1 - Vakuumschalter

Info

Publication number: DE3718108A1
Application number: DE19873718108
Authority: DE
Inventors: Ernst Prof Dr Techn Slamecka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-05-27
Filing date: 1987-05-27
Publication date: 1988-12-08

Description

Gegenstand und Anwendungsbereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft Schaltgehäuse von Vakuumschaltern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Der Anwendungsbereich erstreckt sich auf das Öffnen und Schließen von Stromkreisen in Hochspannungsnetzen sowie auf die Stromführung im geschlossenen Zustand der Schaltkontakte.

Stand der Technik

Ein Vakuum-Schaltgehäuse mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentan spruchs 1 ist aus der Druckschrift US-PS 40 39 792 bekannt. Dabei handelt es sich um ein Schaltgehäuse in Einfach-Durchführungsbauart; d.h. einer der beiden Stromleiterbolzen wird durch einen zum Schaltgehäuse gehörenden Hohlisolator in die Metallkammer eingeführt. Im vorliegenden Fall ist es der feststehende Stromleiterbolzen. Die Metallkammer ist aus zwei zylindrischen Schalenkörpern zusammengefügt; an der Nahtstelle müssen sie vakuumdicht verlötet werden. Dem Vorteil der Zweischalenkonstruktion hinsichtlich der Montage steht der grundsätzliche Nachteil von "eine Lötstelle mehr" gegen über. Hinzu kommt eine zweite ausgedehnte Lötstelle zur Befestigung des Durchführungsisolators an dem Flansch, zu dem die zentrale Öffnung im Kammerboden fortgebildet ist. Dann ist noch eine Einschmelz- oder Einbrenn- Verbindung vorhanden zur Verankerung eines Zwischenstücks im Durchführungs isolator. Für die äußere Isolation des Schaltgehäuses steht nur die Länge des Durchführungsisolators zur Verfügung, was eine große Baulänge des ge samten Schaltgehäuses erzwingt.

Ebenfalls in Einfach-Durchführungsbauart ist das Schaltgehäuse gemäß der Druckschrift DE-OS 27 07 148 konstruiert. Zum Unterschied gegen die vor stehend zitierte Druckschrift ist jedoch der Faltenbalg mit dem bewegbaren Stromleiterbolzen innerhalb des Durchführugnsisolators angeordnet; dadurch verkürzt sich die Baulänge des Schaltgehäuses. Die Metallkammer ist nach Art eines offenen Bechers ausgeführt; auch dies stellt einen Vorteil dar. Nachteilig ist jedoch, daß dieser Becher aus einem Hohlzylinder und einem ringscheibenförmigen Boden zusammengelötet ist; mithin ist weiter "eine Lötstelle mehr" vorhanden. Zwei andere Lötstellen kommen noch hinzu durch die Art der Verbindung des Bechers mit dem Durchführungsisolator.

Geblieben ist auch der grundsätzliche Nachteil, daß nur die Außenlänge des hohlzylindrischen Durchführungsisolators für die äußere Isolation herangezogen werden kann.

Neben hohlzylindrischen Durchführungsisolatoren sind auch scheibenförmige bekannt; die Druckschrift E-A 0 29 691 zeigt einen solchen an einem Schalt gehäuse in Einfachdurchffürungsbauart. Die aus einem Führungsstück gefertigte Metallkammer umfaßt die Isolierstoffscheibe unmittelbar; Zwischenstücke und damit verbundene kritische Lötungen entfallen daher. Neben diesem konstruktiven Vorteil sind jedoch auch erhebliche Nachteile vorhanden. Einer besteht darin, daß das äußere elektrische Isoliervermögen der vom bewegbaren Stromleitbolzen durchdrungenen Isolierstoffscheibe durch ihren Radius gegeben ist, und der stimmt hier praktisch mit dem Radius der Metall kammer überein. Dadurch ist die Verwendbarkeit des sehr bald schon sehr volumi nös bauenden Schaltgehäuses schon aus Wirtschaftlichkeitsgründen auf ver hältnismäßig niedrige Nennspannungen beschränkt.

Verbesserungen sind nur graduell möglich, indem etwa die äußere Scheiben oberfläche durch Rippung vergrößert wird; diese Maßnahme ist durch die Druckschrift DE-OS 31 30 641 bekannt. Allerdings wurde darin der Vorteil des aus einem Stück gefertigten Metallbechers nicht beibehalten und auch die ausgesetzte Lage der Schutz- und Verschlußkappe für den Evakuierungs- Rohrstutzen fällt nachteilig auf.

Das andere Problem liegt in der Anordnung des Faltenbalgs. Wird er außer halb der Metallkammer angeordnet, wie dies partiell gemäß der Druckschrift DE-OS 31 30 641 geschehen ist, muß er von einem Schutz- und Montage- Gehäuse umgeben sein und das addiert sich dann zur Baulänge der Metallkammer.

Wird er innerhalb der an sich schon mit dem großen Durchmesser des Schei ben-Durchführungsisolators behafteten Metallkammer angeordnet - wie in der Druckschrift E-A 0 29 691 dargestellt - vergrößert sich zusätzlich auch noch ihre Wandhöhe; denn die Bauhöhe des Faltenbalgs ist mechanisch/tech nologisch bestimmt; sie wird daher im Vakuum nicht kleiner.

Wo und wie immer man auch den Faltenbalg anordnet, an der Gesamtbauhöhe des Schaltgehäuses ändert sich hier nicht viel.

Ein Schaltgehäuse mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, jedoch in Zweifach-Durchführungsbauart, ist aus der Druckschrift US-PS 37 64 764 bekannt. Die beiden Durchführungsisolatoren haben eine hohlzy lindrische Form und sind an den Stirnseiten der hohlzylindrischen Metall kammer angeordnet.

Zu dieser Schaltgehäuseausführung wäre im wesentlichen zu bemerken, daß sich bei ihr Aufwand und Anzahl der kritischen Lötverbindungen für die Anordnung der beiden Durchführungsisolatoren relativ zur Einfach-Durch führungsbauart praktisch verdoppeln. Das ergibt auch die Betrachtung weiterer Beispiele für Schaltgehäuse in Zweifach-Durchführungsbauart, wie etwa in der Druckschrift E-A 1 31 798; dabei fällt wieder die gefährdete Lage der Evakuierungs-Rohrstutzenabdeckung ungünstig auf.

An der konstruktiven Aufwandsverdopplung ändert sich kaum etwas, wenn statt Isolierstoff-Hohlzylinder Ringscheiben aus Isolierstoff verwendet werden, wie aus der Druckschrift US-PS 37 27 018 bekannt. Der die Metall kammer bildende aus zwei Hälften zusammengesetzte Metallzylinder hat zwar eine verhältnismäßig niedrige Bauhöhe, aber er besitzt auch die Nachteile des großen Durchmessers und des "eine Lötverbindung mehr". Als nachteilig muß auch hier die gefährtete Lage der Abdeckkappe für die Evakuierungsbohrung im feststehenden Stromleiterbolzen eingestuft werden.

Aufgabe der Erfindung

Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, vakuumdicht auszuführende und während der gesamten Betriebszeit des Schaltgehäuses vakuumdicht zu ver bleibende Lötverbindungen insbesondere großer Ausdehnung zu eliminieren. In Verbindung mit dieser Aufgabe soll die Konstruktion erheblich verein facht und dadurch eine wirtschaftliche Konstruktion des ganzen Schalters ermöglicht werden.

Lösung der Aufgabe

Die gestellte Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 und im nebengeord neten Patentanspruch 13 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbil dungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Aufgabenlösung wird anhand von zwei Ausführungs beispielen erläutert.

Ausführungsbeispiele

Die nachstehend angeführten Figuren stellen folgendes dar:

Fig. 1 Längsschnitt eines Mittelspannungs-Schaltgehäuses A in Einfach-Durchführungsisolatorbauart, Nennspannung: 12 kV;

Fig. 2 Längsschnitt eines Mittelspannungs-Schaltgehäuses B in Einfach-Durchführungsisolatorbauart, Nennspannung: 24 kV.

Zu Fig. 1

Das Schaltgehäuse A eines Vakuum-Leistungsschalters mit 12 kV Nennspannung in Freiluftbetrieb und 24 kV Nennspannung unter SF₆ sowie in beiden Ver sionen mit einem erwartbaren Nennstrom von mindestens 1600 A und mit einem erwartbaren Nennkurzschlußausschaltstrom von 40 kA bzw. 31,5 kA besteht im wesentlichen aus drei Baugruppen. Jede Baugruppe kann für sich gefertigt werden. In der Fertigmontage wird die Baugruppe 1 - d.i. die Endplatte 4 mit Anbauten - auf den Rand der Schmalseite des besonders geformten und die Baugruppe 2 darstellenden Durchführungsisolators aufgeschrumpft und vakuumdicht verlötet. Auf den Rand der Breitseite des Durchführungsisola tors wird die Becherwand 5 - samt Anbauten die Baugruppe 3 repräsentierend - aufgeschrumpft und vakuumdicht verlötet.

Ein besonderes metallisches Verbindungsstück zwischen dem Metallbecher und dem rein zylindrischen Durchführungsisolator bisheriger Bauart wird also nicht mehr benötigt.

Bei der ersten Baugruppe ist an den Ansatz 20 der Endplatte 4 der Faltenbecher 6, 7 mit seiner offenen Stirnseite angelötet. Die entgegengesetzte Stirn seite schließt der Boden 7 nahtlos ab. Auf der Vakuumseite ist an dem Boden das Stromleiterbolzen-Teilstück 8 mit dem aufgesetzten Kontaktkörper 9 elektrisch leitend befestigt. Auf der Druckseite des Bodens folgt das Stromleiterbolzen-Teilstück 10; dieses Teilstück gleitet verdrehungsfrei im Lagerkörper 11. Das sich aus den Teilstücken 10, 7, 8, 9 zusammensetzende bewegbare Schaltstück befindet sich in der Ausschaltstellung. Hinzuweisen ist noch darauf, daß die Stromleiterbolzen-Teilstücke 8, 10 im Bereich ihrer Befestigung an dem Boden 7 vergrößerte Querschnitte aufweisen zur Verbesserung des Stromübergangs, aber auch zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit.

Der besonders und gleichzeitig auch einfach ausgebildete Durchführungsiso lator 2 wird in seinem ersten Bereich 12 von einer Ringscheibe gebildet, die stetig in den deutlich schmäleren Hohlzylinder seines zweiten Bereichs 13 übergeht.

Für die Spannungsfestigkeit dieses Durchführungsisolators ist die gesamte Oberflächenlänge, die sich aus Ringscheibenradius und Zylinderhöhe zu sammensetzt, maßgebend.

Diese Gesamtlänge ist deutlich größer als die Mantelhöhe des bisher üb lichen rein zylindrischen Durchführungsisolatoren.

Im Boden des Metallbechers ist eine kreisförmige Öffnung eingelassen zur Durchführung und vakuumdichten Verlötung des feststehenden Stromleiter bolzens, der zu diesem Zweck mit einem breiten Flansch versehen ist. Auf der Vakuumseite endet der Stromleiterbolzen 14 in einen Zapfen 15 zur Befestigung des Kontaktkörpers 16. Links von der Mittellinie ist der Kontaktkörper geschnitten; so sind die magnetischen Leitkörper 17 zu sehen; sie konzentrieren das vom Stromleiterbolzen erregte zirkulare Magnetfeld und leiten es axial in die Schaltstrecke um. Um das Schalt gehäuse evakuieren zu können, verläuft im feststehenden Stromleiterbol zen eine axiale Bohrung 18, von der dann zwei Abzweige bis in den Innen raum gehen. Nach dem Evakuieren wird diese Bohrung durch einen Pfropfen vakuumdicht ausgefüllt. Damit wird die ursprüngliche Leitfähigkeit des Strom leiterbolzens für Strom und Wärme nahezu vollständig wiederher gestellt. Der Füllkörper 18 findet im Stromleiterbolzen einen natürli chen Schutz; er ist nach außen hin nicht sichtbar und braucht so auch keine Schutzkappe.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel durch praktische Anwendung der erfindungsgemäßen Merkmale nur noch vier vakuumdicht zu lötende Verbindungen vorhanden sind.

Zu Fig. 2, Schaltgehäuse B

Wie die technischen Daten zu Fig. 1 bereits erkennen ließen, sind Schaltstrecke und Isolation im Vakuum gleich für 24 kV Nennspannung aus gelegt worden. Wegen der hohen dielektrischen Festigkeit des Vakuums ver größern sich dadurch die Abmessungen der Metallkammer nur unwesentlich. Aber die Wirtschaftlichkeit der Produktreihe ist wesentlich größer, wenn die gleiche Metallkammer mit dem gleichen Durchführungsisolator, das glei che Schaltgehäuse also, für 12 kV und 24 kV Vakuumschalter in Freiluft bzw. unter SF₆ verwendet werden kann. Nur für einen 24 kV Vakuumschalter in Freiluft muß der zum Einheits-Schaltgehäuse gehörende Durchführungsisola tor entsprechend länger bemessen werden. Um diesen schon erheblich län geren Durchführungsisolator dreht es sich im folgenden.

Die aus der Fig. 1 bekannten Bauteile in derselben Verwendung erhielten auch dieselben Bezugszeichen.

Der bewegbare Stromleiterbolzen 8, 10 würde zu massiv ausfallen, wenn man ihn entsprechend dem langen 24 kV Freiluft-Durchführungsisolator einfach bei gleichbleibendem elektrischen Widerstand verlängerte. Um ihn dann zu beschleunigen und zu verzögern, müßte der Schalterantrieb verstärkt werden; doch man möchte ja aus Wirtschaftlichkeitsgründen, aber auch aus Gründen der Zuverlässigkeit den 12 kV Schalterantrieb weiterverwenden. Auch die Bau gruppe "Stromleiterbolzen 8, 10, Faltenbalg 6, 7, und Kontaktkörper 9" soll aus denselben Gründen wie soeben genannt von der 12 kV Ausführung in Fig. 1 unverändert übernommen werden. Die erstrebte unveränderte Übernahme ermöglicht die Verlängerung des Ansatzes 20; er setzt sich dann über die Zwischenkonsole 23 in den zweiten Ansatz 22 kleineren Durchmessers fort. Daran ist außen der Faltenbecher 6, 7 befestigt; innen ist der Führungs körper 11 untergebracht.

Auf der Konsole 23 lagert der Ringkontakt 25; in ihm gleitet das Strom leiterteilstück 10. An der etwas vorstehenden Stirnseite dieses Teil stücks ist der schlanke und massearme Betätigungsstab 28 befestigt. Der Ringkontakt grenzt mit seiner Außenseite kontaktgebend an das ruhende Stromleitrohr 26, das außerhalb des Durchführungsisolators den Anschluß flansch 27 trägt. Durch diese elektromechanische Entkopplung, d.h. durch die Aufteilung von Stromleit- und Antriebsfunktion auf ein ruhendes, bei niedrigem elektrischen Widerstand problemlos verlängerbares Bauteil bzw. auf ein massearmes Betätigungsteil, ist der Nachteil der Einfach-Durchfüh rungsisolatorbauart insbesondere für Freiluft, bei höheren Nennspannungen einen langen schweren Stromleiterbolzen beschleunigen und bremsen zu müssen, beseitigt.

Und die Anzahl der vakuumdicht zu haltenden Lötverbindungen ist mit vier unverändert klein geblieben.

Claims

1. Vakuumschalter mit:

a) einem Schaltgehäuse (A; B), das von einer Metallkammer (3) und min destens auf einer Stirnseite von einem zylindrischen Durchführungs isolator (2) gebildet wird;
b) zwei innerhalb des Schaltgehäuses axial fluchtend angeordneten Schaltstücken (14, 15, 16; 9, 8, 10), von denen eines axial beweg bar ist;
c) einer Faltenhülse (6) für das vakuumdichte Einführen des beweg baren Stromleiterbolzens (8, 10) in das Schaltgehäuse;
d) einer rohrförmigen, von einer Schutzkappe bedeckten Einführung in das Schaltgehäuse zu seiner Evakuierung;
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
e) der Durchführungsisolator (2) weist in seiner axialen Erstrec kung mindestens zwei Bereiche unterschiedlichen Durchmessers auf;
f) in einem ersten Bereich (12) ist der Durchmesser etwa gleich groß wie der Durchmesser der angrenzenden zylindrischen Kammerwand (5);
g) in einem zweiten Bereich (13) ist der Durchmesser des Durchführungs isolators kleiner als der Durchmesser seines ersten Bereichs.

2. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale;

a) der erste Bereich (12) des Durchführungsisolators (2) ist etwa ringscheibenförmig ausgebildet;
b) der zweite Bereich (13) ist etwa zylinderförmig ausgebildet;
c) der Übergang zwischen dem ersten und zweiten Bereich erfolgt stetig.

3. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der erste Bereich (12) des Durchführungsisolators (2) ist als hohler Kreiskegelstumpf ausgebildet;
b) der zweite Bereich (13) ist gleichfalls als hohler Kreiskegelstumpf ausgebildet;
c) der zwischen dem Kegelstumpfmantel und seiner Achse liegende Winkel ist bei dem Kreiskegelstumpf des ersten Bereichs größer als bei dem Kreiskegelstumpf des zweiten Bereichs.

4. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Außenoberfläche des ersten Bereichs des Durchführungsisolators (2) ist so bemessen, daß sie einem Teil der durch nationale und inter nationale Prüfbestimmungen festgelegten äußeren Spannungsbeanspruchung standhält;
b) die Außenoberfläche des sich anschließenden zweiten Bereichs (13) ist so bemessen, daß sie zusammen mit der Außenoberfläche des ersten Bereichs der durch nationale und internationale Prüfbestimmungen festgelegten äußeren Spannungsbeanspruchung standhält.

5. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Innenoberfläche des ersten Bereichs (12) und höchstens ein Teil der Innenoberfläche des sich anschließenden zweiten Bereichs (13) des Durchführungsisolators (2) sind elektrisch leitend;
b) am Ende des elektrisch leitenden Teils der Innenoberfläche des zweiten Bereichs (13) ist ein elektrischer Schirmkörper angeordnet.

6. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) an der Stirnseite des Durchführungsisolators (2) ist eine Endplatte (4) angeordnet, die sich innerhalb seines zweiten Bereichs (13) in einen hohlzylindrischen konzentrischen Ansatz (20) fortsetzt;
b) an dem Ansatz ist ein etwa becherförmiger Körper (6, 7), dessen Seitenwandlänge sich durch Querfaltenbildung (6) verändern läßt, mit seinem Randbereich konzentrisch und vakuumdicht befestigt,

7. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
an dem Ansatz (20) ist ein etwa becherförmiger Körper (6, 7), dessen Seitenwandlänge sich durch eine Längsfaltenbildung verändern läßt, mit seinem Randbereich konzentrisch und vakuumdicht befestigt.

8. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 6, 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
der bewegbare Stromleiterbolzen setzt sich aus zwei Teilkörpern (8, 10) zusammen, von denen der eine Teilkörper (10) an der äußeren Oberfläche des Bodens (7) und der andere Teilkörper (8) an der dem Vakuum zuge wandten Bodenoberfläche elektrisch leitend und etwa axial fluchtend befestigt ist.

9. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
der feststehende Stromleiterbolzen (14) ist mit einer sich in den Innenraum des Schaltgehäuses (A) verzweigenden Längsbohrung (19) versehen, die nach dem Evakuieren des Innenraums durch einen Füllkörper (18) vakuumdicht verschlossen wird.

10. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der hohlzylindrische, sich in das Innere des zweiten Bereichs (13) des Durchführungsisolators (2) erstreckende Ansatz (21) an der End platte (4) gliedert sich in mindestens zwei Teilbereiche unterschied lichen Durchmessers und unterschiedlicher Länge;
b) der erste Ansatzbereich (20) größeren Durchmessers und größerer Länge geht von der Endplatte (4) aus;
c) ein zweiter Ansatzbereich (22) kleineren Durchmessers und kleinerer Länge schließt sich mit einem konsolenartigen Übergang (23) an den ersten Ansatzbereich an.

11. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 6, 7, 10, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
an dem zweiten mit einem Endflansch versehenen Ansatzbereich (22) ist ein etwa becherförmiger Körper (6, 7), dessen Seitenwandlänge sich durch Faltenbildung verändern läßt, mit seinem Randbereich konzentrisch und vakuumdicht befestigt.

12. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 6, 10, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
innerhalb des zweiten mit einem Endflansch versehenen Ansatzbe reichs (22) ist ein Führungskörper (11) zur Führung des beweg baren Stromleiterbolzens (8, 10) gelagert.

13. Vakuumschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Stromübergang vom bewegbaren Stromleiterbolzen (8, 10) auf einen feststehenden Stromleitkörper erfolgt zumindest auf der Seite des bewegbaren Stromleiterbolzens noch im Innenraum des Durchführungs isolators (2);
b) um die Betätigung des bewegbaren mit seiner Stirnseite aus dem Durch führungsisolator nicht herauskommenden Stromleiterbolzens durch den Schalterantrieb zu ermöglichen, ist an seiner Stirn eine aus dem Innen raum herausführende Betätigungsstange (28) kleinerer Masse angeordnet.

14. Vakuumschalter nach Patentanspruch 13,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
für die Stromübertragung vom bewegbaren Stromleiterbolzen (8, 10) auf den feststehenden Stromleitkörper ist ein Ringkontakt (25) vorgesehen.

15. Vakuumschalter nach Patentanspruch 13, 14, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: der Ringkontakt (25) ist auf der Konsole (23) zwischen dem ersten und zweiten Ansatz (21; 22) gelagert und von einem rohrförmigen feststehenden, die Verbindung mit dem Außenanschluß (27) herstel lenden Stromleitkörper (26) umgeben.