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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre für einen Lastumschalter eines
Stufenschalters, bei der alle Kontakte einer Phase, die zur Umschaltung
unter Last notwendig sind, eine bauliche Einheit darstellen.
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Die
Spannungsregulierung von Leistungstransformatoren muss ohne Lastunterbrechung
vorgenommen werden. Üblicherweise
erfolgt diese Spannungsregulierung durch das Zu- oder Abschalten von Windungen des Transformators.
Während dieser
Schaltvorgänge
darf zu keinem Zeitpunkt der Laststrom im Transformator unterbrochen
werden. Andernfalls würden
Schäden
im Transformator entstehen und die einwandfreie Versorgung der Verbraucher
mit elektrischer Energie nicht mehr gewährleistet sein.
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Die
unterbrechungslose Umschaltung von Transformatorwicklungen erfolgt
daher üblicherweise mit
Stufenschaltern. Ein Lastumschalter besteht im Wesentlichen aus
zwei Komponenten: dem (eigentlichen) Lastumschalter und dem Wähler. Der
Wähler ist
direkt mit den Anzapfungen einer Transformator-Feinstufenwicklung
verbunden und dient zur lastlosen Vorwahl der Wicklungsanzapfung,
auf die umgeschaltet werden soll. Die unterbrechungslose Umschaltung
des Laststroms selbst erfolgt mit dem Lastumschalter. Dazu weist
der Lastumschalter mechanische Kontakte oder auch Vakuumschaltröhren auf.
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Übliche Vakuumschaltröhren stellen
lediglich einfache Ein-Aus-Schalter dar.
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In
der
EP 0258614 B1 wird
eine Stufenschalteinrichtung offenbart, die zur Laststromumschaltung
für jede
Phase nur eine einzige, besonders ausgebildete Vakuumschaltröhre besitzt.
Die dort beschriebene Vakuumschaltröhre vereinigt in sich alle zur
eigentlichen Lastumschaltung erforderlichen Kontakte in einem einzigen
Gehäuse.
Damit ist es möglich,
die Verschmutzung des dielektrischen Transformatoröls zu verhindern,
doch hat sich gezeigt, dass auf Grund der von einander abhängigen Bewegung
der oberen und unteren Schubstange der zur Umsetzung des Prinzips
notwendige Gleichlauf technisch schwer realisierbar ist. Selbst
eine nur geringfügige
Abweichung von diesem Gleichlauf ist ausreichend, damit sich die
Schaltkontakte unter Umständen
voneinander abheben und damit eine ungewollte Unterbrechung des
Stromkreislaufs hervorrufen. Auch ohne Abheben der Kontakte ist
während der
Bewegung der Kontakte eine definierte Kontaktanpresskraft aufrecht
zu erhalten. Des Weiteren findet bei der bekannten Vakuumschaltröhre durch
die geometrische Anordnung der Bauteile im Inneren bei jedem Umschaltvorgang
eine durch den entstehenden Lichtbogen hervorgerufene Bedampfung
der sich im gesamten Innenraum der Vakuumschaltröhre befindlichen Bauteile statt.
Dies führt
nach einer Vielzahl von durchgeführten
Schaltvorgängen
zu einer nicht wünschenswerten
Abnahme der Isolationsfähigkeit
der Isolierzylinder und kann zu Fehlfunktionen führen. Der, für die Schädigung der
Bauteile ursächliche,
bei einem Umschaltvorgang auftretende Lichtbogen kann bei einem
Prellen der Schaltkontakte noch dadurch verstärkt werden, dass der Überschaltwiderstand
in Reihe mit dem Ausgleichstrom geschaltet ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demnach, ausgehend von dem zuletzt genannten
Stand der Technik, eine Vakuumschaltröhre der eingangs beschriebenen
Art zu schaffen, die in der Lage ist, eine einfache mechanische
Lösung
zur Umschaltung unter Last zu bieten, die es entbehrt, einen technisch
nur schwer und aufwendig zu realisierenden Gleichlauf verwenden
zu müssen
und auch die weiteren genannten Nachteile nicht aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vakuumschaltröhre mit den Merkmalen des ersten
Patentanspruchs gelöst.
Die Unteransprüche
betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Zeichnungen beispielhaft näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
erste erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Vakuumschaltröhre
für einen
Lastumschalter eines Stufenschalters
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2 bis 8 den
Schaltablauf dieser erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre bei
einer Umschaltung des Lastumschalters von der Schaltstellung A auf
B
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9 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre.
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Einander
entsprechende Bauteile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Die
in 1 dargestellte Vakuumschaltröhre ist umgeben von einem rotationssymmetrischen
Isolierzylinder 1, der aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt
ist und die im Inneren befindliche, unter Vakuum stehende Mechanik
vor äußeren Einflüssen schützt und
das Vakuum aufrecht erhält. Durch
den symmetrischen Aufbau der Vakuumschaltröhre werden in der Beschreibung
die Funktionen der einzelnen Bauteile, der sich im oberen und unteren
Bereich gleich wieder zu findenden Teile, zusammengefasst. Im oberen
und unteren Bereich des Isolierzylinders 1 ist eine, mit
dem Isolierzylinder 1 verlötete, als Flansch ausgebildete
obere Kappe 2 und eine untere Kappe 3 mit jeweils
einer Öffnung
angebracht, durch die jeweils ein oberer Stößel 4 und ein unterer
Stößel 5 eine
mechanische, elektrisch leitende Verbindung zwischen einer jeweilig äußeren Schaltposition
A bzw. B und einer, sich im Inneren der Vakuumschaltzelle befindlichen,
elektrisch leitenden mittleren Kontaktplatte 6 herstellt.
Die mechanische Führung
der axial verschiebbaren Stößel 4 und 5 wird zum
einen von den von außen
an den Kappen 2 und 3 befestigten und zur dauerhaften
Vakuumisierung dienenden jeweiligen oberen und unteren Faltenbalgen 7 und 8 übernommen
und zum anderen von den jeweiligen, ebenfalls als Flansch ausgebildeten,
oberen und unteren Widerstandskontaktstößeln 9 und 10.
Der Innendurchmesser der rotationssymmetrischen Kappen 2 und 3 und
der Außendurchmesser der
Stößel 4 und 5 sind
dabei so zu bemessen, dass die jeweiligen Widerstandskontaktstößel 9 und 10 darin
axial verschiebbar, kontaktschlüssig
gelagert sind. Durch die nach unten hin stufenförmig vergrößerten Durchmesser der Stößel 4 und 5 wird
bei deren entsprechender axialer Verschiebung erreicht, dass sich
die jeweiligen Widerstandskontaktstößel 9 und 10 durch
die Formschlüssigkeit
der Bauteile von den oberen und unteren Widerstandskontaktplatten 11 und 12 lösen und
sich kontaktschlüssig
mit den jeweiligen Stößeln 4 und 5 in
entsprechender Axialrichtung verschieben. Damit sich diese Bewegung
im statischen Zustand nicht unplanmäßig ohne gewollte äußere Krafteinwirkung
vollziehen kann, muss bei einer Axialverschiebung, die von einer
oberen und unteren Druckfeder 13 und 14 aufgebrachte
Haltekraft zwischen den Kappen 2 und 3 und den
Widerstandsstößeln 9 und 10 überwunden
werden.
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Nicht
zum Verständnis
des Schaltprinzips notwendige Bauteile sind in den Figuren des nachfolgenden
Schaltlaufplans aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellt.
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In
den 2 bis 8 ist der Schaltlaufplan einer
erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre bei der
Umschaltung von der Stellung A auf B dargestellt. 2 zeigt
den Schalter dabei in der Ausgangsstellung, in der der größte Anteil
des Laststroms auf Grund der geringsten Leitungswiderstände im System über den
oberen Stößel 4 auf
den geschlossenen Dauerhauptkontakt A 15 hin zum Ableitkontakt 17 fließt. Ein
weitaus geringerer Teil des Stroms wählt dabei auf Grund der höheren Leitungswiderstände den
Weg über
den oberen, mit der mittleren Kontaktplatte 6 kontaktschlüssig leitend
in Verbindung stehenden oberen Stößel 4. Ein vernachlässigbarer
Anteil des Laststroms fließt
bei dieser Schaltstellung über
die leitende Verbindung zwischen dem oberen Stößel 4, dem oberen
Widerstandskontaktstößel 9, die
obere Widerstandskontaktplatte 11 und den oberen Überschaltwiderstand 18 hin
zum Ableitkontakt 17. Der untere Stößel 5 ist in dieser
Schaltstellung so weit geöffnet,
dass durch den Formschluss, der auf Grund der Durchmesseränderung
des unteren Stößels 5 der
untere Widerstandskontaktstößel 10 von der
unteren Widerstandskontaktplatte 12 abgehoben ist.
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In 3 wird
der Dauerhauptkontakt A 15 geöffnet. Dadurch wird der Strom
gezwungen, den auf Grund der höheren
Leitungswiderstände
ungünstigeren
Weg über
die, mit dem oberen Stößel 4 leitend
in Verbindung stehende Kontaktplatte 11 hin zum Ableitkontakt 17 zu
nehmen. Ein vernachlässigbarer
Anteil hat auch bei dieser Schaltstellung wieder die Möglichkeit,
den zu 2 näher
beschriebenen Weg über
den oberen Überschaltwiderstand 18 zu wählen.
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Wie
in 4 erkennbar, wird hier der obere Stößel 4 durch
eine Axialverschiebung so weit von der mittleren Kontaktplatte 6 angehoben,
dass eine elektrische Trennung zwischen der mittleren Kontaktplatte 6 und
dem oberen Stößel 4 stattfindet,
nicht jedoch zwischen dem oberen Widerstandskontaktstößel 9 und
der oberen Widerstandskontaktplatte 11. Damit ist die elektrisch
leitende Verbindung zwischen der mittleren Kontaktplatte 6 und
dem oberen Stößel 4 gelöst und der
Strom gezwungen, den Weg über den
oberen Überschaltwiderstand 18 hin
zum Ableitkontakt 17 zu nehmen.
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In
der Schaltstellung zu 5 wird der untere Stößel 5 in
Richtung der mittleren Kontaktplatte 6 axial verschoben,
jedoch nicht weiter, als es für
eine leitende Verbindung zwischen dem unteren Widerstandskontaktstößel 10 und
der unteren Widerstandskontaktplatte 12 notwendig ist.
Dadurch bildet sich in dieser Schaltposition ein kurzzeitiger Kreisstrom
zwischen den Schaltstellungen A und B, der durch die in Reihe eingeschleiften
oberen und unteren Überschaltwiderstände 18 und 19 begrenzt
ist.
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In 6 wird
durch eine Axialverschiebung des oberen Stößels 4 die leitende
Verbindung zwischen dem oberen Widerstandskontaktstößel 9 und der
oberen Widerstandskontaktplatte 11 gelöst. Dadurch endet der in 5 beschriebene
Kreisstrom und der Strom ist von der Stellung A auf die gewünschte Schaltstellung
B kommutiert, da er nun nur noch die Möglichkeit hat, über den
unteren Überschaltwiderstand 19 zu
fließen.
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Als
nächsten
Schaltschritt, der in 7 beschrieben ist, stellt der
untere Stößel 5 durch
eine entsprechende Verschiebung mit der mittleren Kontaktplatte 6 eine
leitende Verbindung her. Damit ist es dem Strom möglich, nicht
nur, wie in 6 beschrieben, über den
unteren Überschaltwiderstand 19 zu fließen, sondern
auch über
den widerstandsmäßig günstigeren
Weg des leitenden Kontakts zwischen der mittleren Kontaktplatte 6 und
dem unteren Stößel 5.
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Als
letzter, in 8 dargestellter Schaltschritt
wird der Dauerhauptkontakt B 16 geschlossen, wodurch dieser
durch seine günstigsten
Leitungswiderstände
die Leitung des Hauptanteils des Laststroms übernimmt.
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Damit
ist der Umschaltvorgang von der Stellung A auf die Stellung B abgeschlossen.
Eine Umschaltung von der Stellung B auf die Stellung A erfolgt in
chronologisch umgekehrter Reihenfolge der vorangehenden Beschreibung.
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In 9 ist
eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre dargestellt,
die mit dem grundsätzlichen
Aufbau der in 1 beschriebenen Vakuumschaltröhre identisch ist
und die gleiche technische Aufgabe erfüllt. Im Unterschied zu der
in 1 aufgezeigten Ausführungsform ist der obere und
untere Faltenbalg 7 und 8 im vakuumisierten Inneren
des Isolierzylindergehäuses 1 angebracht.
Die in 1 als ein Bauteil ausgebildeten Stößel 4 und 5 sind
in der Ausführungsform
zu 9 zweiteilig ausgeführt: nämlich in die obere und untere
Schubstange 22 und 23 und den oberen und unteren
Stößel 4 und 5.
Die Lagerung und Führung der
Stößel 4 und 5 übernehmen
dabei die, im Vergleich zu den Widerstandskontaktplatten 11 und 12 aus 1,
um 180 Grad verdrehten oberen und unteren Lagerungen 24 und 25.
Um eine Schädigung der
sich im Inneren des Isolierzylinders 1 befindlichen Bauteile
zu verhindern, sind um die Kontaktstellen der Schubstangen 22 und 23 und
der Stößel 4 und 5 noch
optionale Dampfschirme 21 und 22 angebracht. Die
zwischen den Stößeln 4 und 5 und
der oberen und unteren Lagerung 24 und 25 angebrachten Druckfedern 13 und 14 sorgen
bei einer entsprechenden Axialverschiebung der Schubstangen 22 und 23 für die Lösung der
leitenden Verbindung zwischen den jeweiligen Stößeln 4 und 5 und
der mittleren Kontaktplatte 6. Bei einer zu den 2 bis 8 analogen
Umschaltung des Lastumschalters von der Schalterstellung A auf B ist
bei den Schaltschritten, bei denen in der, in 1 gezeigten
Ausfürungsform eine
leitende Verbindung zwischen den Widerstandskontaktstößeln 9 und 10 und
den Widerstandskontaktplatten 11 und 12 besteht,
bei der Ausführungsform
zu 9, eine leitende Verbindung zwischen den Schubstangen 22 und 23 und
den Stößeln 4 und 5 notwendig.
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- 1
- Isolierzylinder
- 2
- obere
Kappe
- 3
- untere
Kappe
- 4
- oberer
Stößel
- 5
- unterer
Stößel
- 6
- mittlere
Kontaktplatte
- 7
- oberer
Faltenbalg
- 8
- unterer
Faltenbalg
- 9
- oberer
Widerstandskontaktstößel
- 10
- unterer
Widerstandskontaktstößel
- 11
- obere
Widerstandskontaktplatte
- 12
- untere
Widerstandskontaktplatte
- 13
- obere
Druckfeder
- 14
- untere
Druckfeder
- 15
- Dauerhauptkontakt
A
- 16
- Dauerhauptkontakt
B
- 17
- Ableitkontakt
- 18
- oberer Überschaltwiderstand
- 19
- unterer Überschaltwiderstand
- 20
- oberer
Dampfschirm
- 21
- unterer
Dampfschirm
- 22
- obere
Schubstange
- 23
- untere
Schubstange
- 24
- obere
Lagerung
- 25
- untere
Lagerung