Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Bei allen bisher bekannt gewordenen und vorgeschlagenen Ausbildungen einer
Vakuumschaltkammer für eine Anwendung in Nieder- oder Hochspanungsschaltgeräten wie Schützen
oder Leistungsschaltern wird die elektrische Verbindung zwischen beweglichem
Kontaktstück und daran verbundener und zugehörender beweglicher Elektrode und der Kontaktbahn
bzw. Anschlußstücken mittels flexiblen Metallbändern realisiert.
Als Beispiel hierzu kann die DE OS 39 06 822, Fig. 4 und Fig. 5 angeführt werden. In dem
darin dargestellten Hochspannungs-Vakuumschalter erfolgt die elektrische Verbindung
zwischen der beweglichen Elektrode, über Teil 30 mit der Schaltmechanik 26, 27 gekoppelt,
und dem unteren Anschluß über ein Stromband.
Erkennbar ist dies auch an dem in Abb. 9.6 [1] dargestellten Schalterpol eines weiteren
Hochspannungs-Vakuumleistungsschalter. Die bewegliche Elektrode bzw. der Schaltstift 18
ist über die flexiblen Strombänder 8 mit dem unteren Stromschienenanschluß verbunden.
Die prinzipiell gleiche Ausführung wird auch in elektromagnetisch betätigten Hoch- und
Niederspannungs-Vakuumschützen vorgesehen. In Bild 3.10 [2] ist mit Pos. 4 das flexible
Stromband gekennzeichnet, das die elektrische Verbindung zwischen beweglicher Elektrode
und Anschluß 3 herstellt.
Gleiche Ausführungen sind aus den Bildern 8.36 und 8.37 [1] ersichtlich.
Diese bekannten Ausführungen weisen mehrere und erhebliche Nachteile auf.
Leistungsschalter müssen sehr hohe Kurzschlußströme führen und beherrschen. Diese
Kurzschlußströme führen zu größeren mechanischen Kraftwirkungen, die einmal seitlich auf die
bewegliche Elektrode wirken und eine Versteifung des flexiblen Bandes verursachen. Beides kann
sowohl die Ausschaltbewegung behindern und zusätzliche, quer auf die Elektrode wirkende
und damit die Vakuumschaltkammer einseitig belastende Kräfte hervorrufen. Weiter haben
flexible Strombänder und auch ihre Endstellen einen höheren Widerstand als vergleichbare
massive Stromleiter, die zusätzliche Stromwärmeverluste und eine höhere Erwärmung dieser
Verbindungsstellen verursachen.
Um diese schädlichen mechanischen Auswirkungen auf die Vakuumschaltkammer,
insbesondere auf die notwendigen und vakuumdichten Verbindungsstellen mit dem
Metallfaltenbalg zu kompensieren, müssen in den Vakuumschaltkammern exakte
Führungselemente, Lagerungen u. a. mechanische Bauelemente vorgesehen werden, die diese
Beanspruchungen aufnehmen und die exakte Führung der beweglichen Elektrode gewährleisten müssen.
Zusätzlich sind Vorkehrungen notwendig, die ein Verdrehen der beweglichen Elektrode um
deren Längsachse verhindern, da ein auch nur geringfügiges Verdrehen die immer zu
verwendenden Metallfaltenbälge beschädigen bzw. undicht werden lassen können.
Zur Stromführung bzw. dem Stromübergang von beweglicher Elektrode zum zugehörenden
Anschlußteil sind die bekannten Ausbildungen nicht geeignet und nicht vorgesehen.
Beispiele hierzu sind aus Bild 4.71, Pos. 9 [1] oder Bild 9.6, Pos. 6 [2] zu entnehmen.
Nachteilig ist weiter für Schütze und ihrer geforderten hohen mechanischen Lebensdauer von
bis zu 107 Schaltspielen die relativ niedrige mechanische Lebensdauer der in
Vakuumschützen bisher verwendeten kurzen flexiblen Bänder.
Ziel des Erfindungsgedankens
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung sollen die Nachteile der bekannten
Anordnung, der stromführenden Verbindung zwischen beweglicher Elektrode/Schaltstift und
dem zugehörenden festen und äußeren Anschlußteil durch flexible Strombänder und der
zusätzlichen und getrennten mechanischen Führung der beweglichen Elektrode vermieden
werden, dadurch daß sowohl die stromführende Verbindung als auch die mechanische
Führung der beweglichen Elektrode als ein Bauelement ausgebildet wird und mit dazu
geeigneter Ausbildung der weiteren elektrischen und mechanischen Verbindungen der
Vakuumschaltkammer mit bzw. in der Gerätestrombahn sowohl das Bauvolumen des
Vakuumschaltgerätes verkleinert als auch der technologische Aufwand verringert werden
kann.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Zum Vermeiden der elektrischen wie mechanischen Nachteile der bekannten Anordnungen
wird vorgeschlagen, anstelle der bisher eingesetzten flexiblen Strombänder zwischen
beweglicher Elektrode und den festen Strombahnelementen bzw. Anschlußteilen
Metallfederbänder mit Kontaktlamellen [3] einzusetzen.
Erfindungsgemäß sollen diese an sich bekannten Kontakt-Lamellenbänder [3] die
Stromführung bzw. den Stromübergang zwischen beweglicher Elektrode und den sich
anschließenden Elementen der Schaltgeräte-Strombahn übernehmen und gleichzeitig eine bessere und
exaktere mechanische Führung der beweglichen Elektrode gewährleisten.
Hierzu sollen verschiedene Varianten zur Ausbildung des diese Kontakt-Lamellenbänder
aufnehmenden Bauteils und dessen Einbindung in die Vakuumschaltkammer vorgeschlagen
werden.
In Erweiterung dieses Erfindungsgedankens bzw. dieser vorgeschlagenen Lösungäwerden
weitere Teillösungen für eine günstigere und technologisch bessere Ausbildung der
Vakuumschaltkammer und deren mechanischen wie elektrischen Verbindungen innerhalb der
Strombahn des betreffenden Vakuumschaltgerätes vorgeschlagen.
Der Erfindungsgedanken und dessen Erweiterung soll nachstehend anhand der in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben werden.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Vakuumschaltkammer mit dem vorgeschlagenen Einsatz einer Anordnung von
Kontakt-Lamellenbändern zum Stromübergang zwischen beweglicher Elektrode und äußeren
Anschluß,
Fig. 2, 3, 4 weitere Vorschläge für eine günstige Gestaltung von Vakuumschaltkammern mit
verschiedenen Möglichkeiten zur Befestigung der Halterung bzw. Führung der Kontakt-
Lamellenbänder, der Verbindung zur Strombahn bzw. den äußeren Anschlüssen und deren
Ausbildung.
In Fig. 1 ist bezeichnet mit 1 das bewegliche Kontaktstück mit der beweglichen Elektrode 12,
mit 2 das feste Kontaktstück vakuumdicht z. B. durch Löten verbunden mit dem
Metallgehäuse 4 und verbunden mit dem aus einem Stück gebildeten Anschlußwinkel 3, mit 5 der
Metalldampfschirm, mit 6 die Isolierstrecke, mit 8 und 9 Kammergehäuseteile zwischen
denen der Metallfaltenbalg 8 vakuumdicht befestigt ist, die konzentrisch um die bewegliche
und üblicherweise rund ausgebildete Elektrode angeordneten Kontakt-Lamellenbänder mit 11,
die wiederum in Ausnehmungen der Führungs- bzw. Halterungsbuchse 10 liegen, mit 15 der
zweite Anschlußwinkel, mit 16 die im Drehpunkt 17 gelagerte Betätigungsgabel, die in einem
Ausschnitt der beweglichen Elektrode 12 eingreift und die gewünschte Ein- und
Ausschaltbewegung realisiert.
Nach dem Grundgedanken der Erfindung ist die konzentrische Führungsbuchse 10 mit
Ausnehmungen versehen, in denen die an sich bekannten Kontakt-Lamellenbänder [3]
eingesetzt sind. Die sowohl an der beweglichen Elektrode 12 als auch an der Innenseite der
Ausnehmungen der Führungsbuchse 10 anliegenden Zungen der Kontakt-Lamellenbänder
übernehmen erfindungsgemäß mit den auf beide Teile wirkenden Kontaktkräften sowohl den
Stromübergang von beweglicher Elektrode 12 zur Führungsbuchse 10 als auch die
mechanische Führung der beweglichen Elektrode 12. Die Führungsbuchse 10 ist weiter mit
einem dickeren und konzentrischen Flanschteil versehen, der an dem Gehäuseteil 9 anliegt
und dort von den konzentrischen Winkeln der Gehäuseteile 9 und 8, die beide mit dem
Metallfaltenbalg 7 z. B. durch Schweißen verbunden sind, gehalten bzw. fixiert wird.
Dieser Flansch der Führungsbuchse 10 ist weiter, z. B. durch eine Schraubverbindung 13 fest
mit dem Gehäuseteil 9 verbunden.
Mit dieser Lösung wird einmal eine, für das notwendig parallele Berühren der Kontaktstücke
1 und 2 während des Einschaltvorganges exakte mechanische Führung der beweglichen
Elektrode gewährleistet, die schädlichen und einseitig seitlich wirkenden mechanischen
Kräfte eines wenn auch flexiblen Metallbandes beseitigt, die ein Kippen des beweglichen
Kontaktstückes bewirken und damit zu einem die Funktion der Vakuumschaltkammer stark
beeinträchtigenden Prellen führen können. Von wesentlichem Vorteil ist weiter, daß auch
einseitig wirkende mechanische Kräfte auf die nicht unempfindlichen und vakuumdichten
Verbindungsstellen der Vakuumschaltkammer z. B. die Verbindung zwischen Teilen 8, 7, 9
vollkommen vermieden werden. Zum anderen wird mit dieser Anordnung eine mit wesentlich
niedrigeren Übergangswiderstand verbundene elektrische Verbindung zwischen beweglicher
Elektrode und Anschlußteilen realisiert. Weiter wird damit die, von vornherein geringere
Verlustwärme durch die massive Führungsbuchse 10 gut abgeleitet. Als weiterer Vorteil kann
die hohe Kontaktsicherheit durch die Vielzahl der Berührungsstellen zwischen den Kontakt-
Lamellenbändern 11 und Elektrode 12 und Führungsbuchse 10 angeführt werden.
Wesentliche und weitere Vorteile des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einsatzes dieser
Kontakt-Lamellenringe ergeben sich in dadurch möglichen und gegenüber den bekannten
Ausführungen günstigeren Gestaltung von Vakuumschaltkammern hinsichtlich deren
Einbindung in das komplette Vakuum-Schaltgerät.
So kann z. B. nach Fig. 1 eine feste Verbindung zwischen der Führungsbuchse 10 und dem
einem Anschlußwinkel 15 z. B. durch Verschraubung hergestellt werden. In Verbindung mit
dem anderen Anschlußwinkel 3, der z. B. durch Löten fest und vakuumdicht mit dem Gehäuse
4 und dem festen Kontaktstück 2 verbunden ist, kann die Vakuumkammer als kompaktes
Bauelement für die Montage im Schaltgerät ausgebildet sein. Damit kann eine nicht
unerhebliche Gefahr eines Verdrehens der beweglichen Elektrode bei der Verbindung mit
dem bisher vorgesehenen Metallband und der Endmontage im Gerät mit Sicherheit vermieden
werden. Solche sogar geringfügige Verdrehungen führen in der Regel zu einem Knicken des
Metallfaltenbalges und dann während des Einsatzes zu einem Leck im Metallfaltenbalg und
damit zum Verlust der Funktionsfähigkeit des gesamten Vakuum-Schaltgeräts.
Eine weitere Variante dieser Gestaltungsmöglichkeit zeigt Fig. 2. Darin ist die
Führungsbuchse 10 bereits mit einem Anschlußteil von vornherein als ein Bauteil ausgebildet und mit
dem Ring 9 z. B. durch Verschrauben fest verbunden. Analog ist der Anschluß an das feste
Kontaktstück und Anschlußbolzen 22 ausgebildet. Dieser ist über eine Windung 20, die in an
sich bekannter Weise zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes insbesondere für
Vakuumleistungsschalter dienen soll, mit dem anderen Anschlußteil 3 verbunden. Teil 3 und 10
können dann mit den äußeren Anschlußschienen 18 verbunden werden.
In vorteilhafter Weise kann weiter zwischen Anschlußbolzen 22 und der Windung 20 eine
Spule oder ein anderer Meßfühler 21 angeordnet werden, mit denen stromabhängige Signale
für eine gewünschte Steuerung des betreffenden Vakuumschaltgerätes zu gewinnen sind.
In Fig. 3 und 4 sind weitere Vorschläge zur günstigeren Ausbildung der
Vakuumschaltkammer dargestellt. Für beide Vakuumschaltkammern mit im Inneren verschiedenen, an
sich bekannten Ausbildungen sowohl des Kontaktsystem mit Schirm 5 und 29 als auch des
Kammergehäuses wird eine Steckausführung vorgeschlagen. Der Anschluß an das feste
Kontaktstück ist als steckbare Schiene 24 ausgebildet, die z. B. durch Löten fest und
vakuumdicht mit dem Vakuumkammerboden 4 verbunden ist. Der andere Anschluß soll
ebenfalls als steckbare Schiene 25 ausgebildet und fest mit Führungsbuchse 28 verbunden
sein, wobei beide Teile 28 und 25 aus einem Stück bestehen können. Für einen zusätzlichen
Verdrehungsschutz des Metallfaltenbalges 8 kann in der Führungsbuchse 28 eine Nase 30
eingesetzt werden, die in einer einfachen Nut 29 der beweglichen Elektrode 12 geführt wird.
Besonderer Vorteil dieser Ausbildung ist die einfache und sichere Endmontage der
Vakuumschaltkammer im betreffenden Schaltgerät aber auch deren Auswechslung.
Die Ausbildung, Form und Bemessungshinweise der an sich bekannten
Kontakt-Lamellenbänder sind in der Druckschrift [3] eingehend beschrieben. Ein Einsatz im Inneren einer
Vakuumschaltkammer wurde bisher weder vorgeschlagen noch nahegelegt.
Angezogene Literatur
[1] Burkhard, Schaltgeräte der Elektroenergietechnik, Verlag Technik Berlin, 1985
[2] Siemens Handbuch, Schalten, Schützen, Verteilen in Niederspannungsnetzen, Verlag Siemens AG, 1990
[3] Sonderdruck der Fa. Multi-Contact AG Basel, Vortrag zur "13. Int. Tagung ü. elektr. Kontakte in Lausanne",
"Elektrische Gleit- und Steckkontakte in der Schweißroboter- und -Automatentechnik" von Werner Balzarek