DE102010005466B3

DE102010005466B3 - Vakuumschaltröhre

Info

Publication number: DE102010005466B3
Application number: DE102010005466A
Authority: DE
Inventors: Lydia Baron; Werner Dr. Hartmann; Roman Dr. Renz; Ulf SCHÜMANN
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: BR112012017894A2; CA2787485C; KR101342834B1; WO2011089034A1; RU2562248C2; EP2526560A1; US20130092659A1; HK1174147A1; CN102725811B; CN102725811A; JP2013517607A; US9123490B2; AU2011208822B2; MX2012008456A; CA2787485A1; AU2011208822A1; RU2012135459A; BR112012017894B1; KR20120106836A

Abstract

Um eine Vakuumschaltröhre (1) mit einem Gehäuse, welches zwei bezüglich einer Mittenebene (S) symmetrisch angeordnete und ausgebildete Isolierstoffgehäusebereiche (9, 10) aufweist, wobei jede der beiden Isolierstoffgehäuse (9, 10) mehrere Isolierstoffgehäuseteile (11, 12, 13, 14, 15, 16) umfasst, und wobei zwischen jeweils benachbarten Isolierstoffgehäuseteilen sowie zwischen Isolierstoffgehäuseteilen und jeweils benachbarten weiteren Gehäuseteilen (6, 8, 17) sich ins Innere der Vakuumschaltröhre erstreckende Schirmelemente (18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25) angeordnet sind, mit verbesserten dielektrischen Eigenschaften bei gleichzeitigem Material sparendem Aufbau auszubilden, wird vorgeschlagen, dass geometrische Abmessungen der Schirmelemente (18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25) in Abhängigkeit von einer anliegenden Spannung und einer zwischen benachbarten Schirmen möglichen kritischen Feldstärke bestimmt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit einem Gehäuse, welches zwei bezüglich einer Mittenebene symmetrisch angeordnete und ausgebildete Isolierstoffgehäusebereiche aufweist, wobei jede der beiden Isolierstoffgehäuse mehrere Isolierstoffgehäuseteile umfasst, und wobei zwischen jeweils benachbarten Isolierstoffgehäuseteilen sowie zwischen Isolierstoffgehäuseteilen und jeweils benachbarten weiteren Gehäuseteilen sich in ins Innere der Vakuumschaltröhre erstreckende Schirmelemente angeordnet sind.
Eine derartige Vakuumschaltröhre ist beispielsweise aus der DE 100 29 763 B4 bekannt. Die dort offenbarte Vakuumschaltröhre weist ein Gehäuse mit zwei bezüglich einer Mittenebene im Wesentlichen symmetrisch angeordnete und ausgebildete Isolierstoffgehäusebereiche auf. Jede der beiden Isolierstoffgehäuse umfasst mehrere Isolierstoffgehäuseteile in Form von jeweils zwei Keramikzylindern, wobei zwischen benachbarten Isolierstoffgehäuseteilen und zwischen Isolierstoffgehäuseteilen und anderen Gehäuseteilen der Vakuumschaltröhre in Form von Deckelteilen sich ins Innere der Vakuumschaltröhre erstreckende Schirmelemente angeordnet sind. Die Schirmelemente sind dabei im Wesentlichen vorgesehen, um die Isolierstoffgehäuseteile in Form von Keramikzylindern gegenüber bei einem Schaltvorgang eines Kontaktsystems der Vakuumschaltröhre entstehenden Metalldämpfen abzuschirmen, um die isolierenden Eigenschaften der Isolierstoffgehäuseteile aufrecht zu erhalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vakuumschaltröhre der eingangs genannten Art mit verbesserten dielektrischen Eigenschaften bei gleichzeitigem Material sparendem Aufbau auszubilden.
Erfindungsgemäß gelöst wird dies bei einer Vakuumschaltröhre der eingangs genannten Art dadurch, dass geometrische Abmessungen der Schirmelemente in Abhängigkeit von einer anliegenden Spannung und einer zwischen benachbarten Schirmen möglichen kritischen Feldstärke bestimmt sind.
Durch die Bestimmung der Abmessungen in Abhängigkeit von einer anliegenden Spannung und einer zwischen benachbarten Schirmen möglichen kritischen Feldstärke werden bei minimal nötigem Materialaufwand nötigen dielektrischen Eigenschaften erzielt, ohne dass einerseits Schirmelemente zu groß dimensioniert sind. Andererseits ist gleichzeitig gewährleistet, dass die dielektrischen Eigenschaften den Anforderungen durch die anliegende Spannung an der Vakuumschaltröhre genügen, ohne dass Überschläge oder ähnliches zwischen den einzelnen Schirmelementen der Vakuumschaltröhre stattfinden. Die geometrischen Abmessungen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise ein Abstand benachbarter Schirmelemente zueinander, ein Abstand eines Schirmelementes in seiner axialen Erstreckung zu dem Isolierstoffgehäuseteil oder ein Krümmungsradius eines an einem Ende gebogen ausgebildeten Schirmelementes.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen an von einem Kontaktsystem der Vakuumschaltröhre entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteilen angeordnete Schirmelemente einen Abstand s zum Isolierstoffgehäuseteil und einen Abstand d_s zu einander an ihren einen Krümmungsradius R aufweisenden Enden auf, wobei s, d_s und R gemäß
zu einer maximalen Spannungsdifferenz ΔU_max an dem entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteil und einer kritischen Feldstärke stehen, wobei die kritische Feldstärke sich aus Feldberechnungen der Vakuumschaltröhre ergibt und die maximale Spannungsdifferenz ΔU_max sich aus
mit α: Kopplungsfaktor aus Feldberechnungen
und ε_r: Dielektrizitätskonstante des Isolierstoffgehäuseteils in Abhängigkeit von der Anzahl der Isolierstoffgehäuseteile ergibt.
Eine derartige Ausbildung der vom Kontaktsystem der Vakuumschaltröhre entferntest angeordneten Schirmelemente hat sich in einer Reihe von Experimenten und Berechnungen als optimale geometrische Ausgestaltung der Abstände der Schirmelemente zueinander und zur Keramik sowie der Ausbildung der Krümmungsradien ergeben, weil eine sich in axialer Richtung entlang der Vakuumschaltröhre einstellende elektrische Potentialverteilung und damit die dielektrische Festigkeit, welche sowohl von der Geometrie der Röhre als auch von kapazitiven Ankopplungen an äußere Gegebenheiten wie beispielsweise Erdpotential oder geerdete Gehäuse eines Schaltgerätes, in welchem die Vakuumschaltröhre angeordnet ist, abhängt, wobei die an einem Ende der Vakuumschaltröhre angeordneten Isolierstoffgehäuseteile und die daran angeordneten Schirmelemente die größte Potentialdifferenz aufweisen. Der Kopplungsfaktor α gibt hierbei an, wie sich die Spannung über die Vakuumschaltröhre einstellt bzw. insbesondere, welcher Anteil an den dem Kontaktsystem nächstliegenden Isolierstoffgehäuseteilen abfällt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich zur Abschirmung eines Triele-Junction-Punktes jedes Schirmelement im Bereich seiner Verbindungsstelle mit dem Isolierstoffgehäuseteil in einem Abstand δ vom Isolierstoffgehäuseteil radial ins Innere der Vakuumschaltröhre, wobei δ gemäß den Beziehungen
und 3·δ < L_s < 0,5·L_K ergibt,
mit

εr:: Dielektrizitätskonstante des Isolierstoffgehäuseteils
Ls:: anteilige Schirmlänge
LK:: Länge des Isolierstoffgehäuseteils.

Bei einer derartigen Ausgestaltung im Bereich der Verbindungsstelle des Schirmelementes mit dem Isolierstoffgehäuseteil ist eine optimale Absteuerung des elektrischen Feldes im Triele-Junction-Punkt gegeben. Triple-Junction im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei jeder Verbindungsbereich der Vakuumschaltröhre, an dem Isolierstoffgehäuseteile, Schirmelemente und Vakuum aneinandergrenzen.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre zeigt.
Die Figur zeigt eine Vakuumschaltröhre 1 mit einem Kontaktsystem aus einem Festkontakt 2 mit einem Festkontaktanschlussbolzen 3 und einem Bewegkontakt 4 und einem Bewegkontaktanschlussbolzen 5. Der Festkontaktanschlussbolzen 3 ist durch ein metallisches Gehäuseteil in Form eines Deckelteils 6 vakuumdicht aus der Vakuumschaltröhre herausgeführt zum Anschluss an Strom führende Teile einer figürlich nicht dargestellten Schaltanlage, ebenso wie der Bewegkontaktanschlussbolzen 5 mittels eines Faltenbalges 7 vakuumdicht und beweglich durch ein weiteres metallisches Gehäuseteil 8 in Form eines zweiten Deckelteils aus der Vakuumschaltröhre 1 herausgeführt ist. Das Kontaktsystem mit dem Bewegkontakt 4 und dem Festkontakt 2 ist zum Schalten bzw. Unterbrechen eines über die Vakuumschaltröhre geführten Stroms vorgesehen, wobei über den Bewegkontaktanschlussbolzen 5 eine Antriebsbewegung eines figürlich nicht dargestellten Antriebs zum Schalten bzw. Unterbrechen des Kontaktsystems einleitbar ist. Die Vakuumschaltröhre weist einen ersten Isolierstoffgehäusebereich 9 und einen zweiten Isolierstoffgehäusebereich 10 auf, wobei der erste Isolierstoffgehäusebereich 9 aus Isolierstoffgehäuseteilen 11, 12 und 13 in Form von Keramikzylindern und der zweite Isolierstoffgehäusebereich 10 aus Isolierstoffgehäuseteilen 14, 15 und 16 ebenfalls in Form von Keramikzylindern aufgebaut ist und zwischen dem ersten Isolierstoffgehäusebereich 9 und dem zweiten Isolierstoffgehäusebereich 10 ein weiteres metallisches Gehäuseteil in Form einer metallischen Kammer 17 angeordnet ist. Bezüglicher einer Mittenebene S ist die Vakuumschaltröhre 1 im Wesentlichen bezüglich ihres Gehäuses symmetrisch ausgebildet. Jeweils zwischen benachbarten Isolierstoffgehäuseteilen sowie zwischen den metallischen Gehäuseteilen 6 und 8 und deren jeweiligen benachbarten Isolierstoffgehäuseteilen sind Schirmelemente 18 bis 25 angeordnet, welche sich ins Innere der Vakuumschaltröhre hinein erstrecken. Die Schirmelemente 18 bis 25 sind derart ausgestaltet, dass ihre geometrischen Abmessungen in Abhängigkeit von einer anliegenden Spannung und einer zwischen benachbarten Schirmen möglichen kritischen Feldstärke bestimmt sind, wie im Folgenden näher erläutert.
Bei einem wie in der Figur dargestellten getrennten Kontaktsystem mit voneinander beabstandetem Fest- und Bewegkontakt stellt sich über die Vakuumschaltröhre eine Potentialverteilung ein, welche Potentialverteilung sowohl von der Geometrie der Vakuumschaltröhre als auch von kapazitiven Ankopplungen an äußere Gegebenheiten, beispielsweise Erdpotential oder geerdete Gehäuse der figürlich nicht dargestellten Schaltanlage abhängt. Diese Potentialverteilung ist maßgeblich für die dielektrische Festigkeit der Vakuumschaltröhre. Die Potentialverteilung ergibt somit auch unterschiedliche Potentialdifferenzen zwischen benachbarten Schirmelementen, wobei die Schirmelemente am jeweils entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteil die größte Potentialdifferenz aufweisen.
Aus Simulationen und Feldberechnungen ergibt sich für die dem Kontaktsystem am nächsten angeordneten Schirmelemente ein Zusammenhang mit der insgesamt anliegenden Spannung als: U_s = α·U, wobei α ein Kopplungsfaktor ist, welcher sich aus Feldberechnungen ergibt, der beispielsweise für eine Vakuumschaltröhre mit vier Isolierstoffgehäuseteilen in Abhängigkeit von äußeren Gegebenheiten den Wert 0,3 annehmen kann.
Für die Potentialdifferenz zwischen dem n-ten und dem (n-1) ten Schirmelement (n = 2, 3, ... N) ergibt sich empirisch näherungsweise folgende Beziehung:
so dass eine maximale Spannung an einem vom Kontaktsystem entferntest angeordneten Schirmelement (n = N) sich als:
ergibt.
Beispielsweise bei einer Vakuumschaltröhre mit vier Isolierstoffgehäuseteilen mit einem Kopplungsfaktor α = 0,3 erhält man für die maximale Spannungsdifferenz ΔU_max= 0,4·U.
Mit anderen Worten ist die maximale Spannungsdifferenz, die sich über einem vom Kontaktsystem entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteil und damit zwischen den daran angeordneten Schirmelementen ergibt, in etwa 40% der insgesamt über der Vakuumschaltröhre anliegenden Spannung bei getrenntem Kontaktsystem, bei einer Vakuumschaltröhre mit vier Isolierstoffgehäuseteilen und einem aus den äußeren Gegebenheiten erhaltenen Kopplungsfaktor α = 0,3.
Diese maximale Spannungsdifferenz sowie die aus Feldberechnungen erhaltene kritische Feldstärke, welche material- und oberflächenabhängig ist und typische Werte zwischen 20 kV und 50 kV pro mm annimmt, sind bei der Bestimmung der geometrischen Abmessungen der Schirmelemente am entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteil derart zu berücksichtigen, dass zwischen dem Krümmungsradius R von abgerundeten Enden der Schirmelemente, einem Abstand s von Schirmelement zum Isolierstoffgehäuseteil sowie einem Abstand d_s zwischen Enden benachbarter Schirmelemente folgende Beziehung erfüllt ist:
Hierbei ist ε_r die Dielektrizitätskonstante des Isolierstoffgehäuseteils.
Weiterhin ist im Bereich des so genannten Triple-Junction-Punktes, d. h. der Verbindungsstelle, an welcher Isolierstoffgehäuseteil, metallisches Gehäuseteil bzw. Schirmelement sowie Vakuum aneinander grenzen, ein minimaler Abstand δ einzuhalten, in welchem sich das Schirmelement radial vom Isolierstoffgehäuseteil weg erstreckt, wobei für den Abstand δ folgende Beziehungen erfüllt sein sollen:
und 3·δ < L_s < 0,5·L_K
Hierbei sind L_s die Schirmlänge, mit welcher sich das Schirmelement in axialer Richtung der Vakuumschaltröhre erstreckt, und L_K die Länge des Isolierstoffgehäuseteils, wie im Ausführungsbeispiel der 1 anhand des Schirmelementes 19 und der Keramik 11 gezeichnet. Im Bereich der dem Kontaktsystem aus Festkontakt 2 und Bewegkontakt 4 am nächstliegend angeordneten Schirmelemente, im Ausführungsbeispiel der 1 die Schirmelemente 20 und 21, sind aufgrund der oben aufgeführten Beziehung die Potentialdifferenzen, welche sich einstellen, deutlich geringer, so dass Anforderungen an Abstände zwischen den Schirmelementen 20 und 21 geringer sind, und eine Überlappung in axialer Richtung zwischen diesen Schirmelementen 20 und 21 ermöglicht ist, um eine geometrische Abschattung des Isolierstoffgehäuseteils 13 vor Bedampfung durch bei einem Schaltvorgang beim Trennen des Kontaktsystems aus Festkontakt 2 und Bewegkontakt 4 entstehendem Metalldampf möglichst effektiv abzuschirmen, um die isolierende Eigenschaft des Isolierstoffgehäuseteils 13 aufrecht zu erhalten.
Bezugszeichenliste

1: Vakuumschaltröhre
2: Festkontakt
3: Fest kontaktanschlussbolzen
4: Bewegkontakt
5: Bewegkontaktanschlussbolzen
6: metallisches Deckelteil
7: Faltenbalg
8: metallisches Deckelteil
9: erster Isolierstoffgehäusebereich
10: zweiter Isolierstoffgehäusebereich
11 bis 16: Isolierstoffgehäuseteile
17: metallisches Gehäuseteil
18 bis 25: Schirmelemente
S: Mittenebene

Claims

Vakuumschaltröhre (1) mit einem Gehäuse, welches zwei bezüglich einer Mittenebene (S) symmetrisch angeordnete und ausgebildete Isolierstoffgehäusebereiche (9, 10) aufweist, wobei jede der beiden Isolierstoffgehäuse (9, 10) mehrere Isolierstoffgehäuseteile (11, 12, 13, 14, 15, 16) umfasst, und wobei zwischen jeweils benachbarten Isolierstoffgehäuseteilen sowie zwischen Isolierstoffgehäuseteilen und jeweils benachbarten weiteren Gehäuseteilen (6, 8, 17) sich ins Innere der Vakuumschaltröhre erstreckende Schirmelemente (18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass geometrische Abmessungen der Schirmelemente (18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25) in Abhängigkeit von einer anliegenden Spannung und einer zwischen benachbarten Schirmen möglichen kritischen Feldstärke bestimmt sind.
Vakuumschaltröhre (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an von einem Kontaktsystem (2, 4) der Vakuumschaltröhre (1) entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteilen (11, 12, 13, 14, 15, 16) angeordnete Schirmelemente (18, 19, 24, 25) einen Abstand s zum Isolierstoffgehäuseteil (11, 12, 13, 14, 15, 16) und einen Abstand d_s zu einander an ihren einen Krümmungsradius R aufweisenden Enden aufweisen, wobei s, d_s und R gemäß
zu einer maximalen Spannungsdifferenz ΔU_max an dem entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteil und einer kritischen Feldstärke stehen, wobei die kritische Feldstärke sich aus Feldberechnungen der Vakuumschaltröhre (1) ergibt und die maximale Spannungsdifferenz ΔU_max sich aus
mit α: Kopplungsfaktor aus Feldberechnungen und ε_r: Dielektrizitätskonstante des Isolierstoffgehäuseteils in Abhängigkeit von der Anzahl der Isolierstoffgehäuseteile ergibt.
Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich zur Abschirmung eines Triele-Junction-Punktes jedes Schirmelement (18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25) im Bereich seiner Verbindungsstelle mit dem Isolierstoffgehäuseteil (11, 12, 13, 14, 15, 16) in einem Abstand δ vom Isolierstoffgehäuseteil (11, 12, 13, 14, 15, 16) radial ins Innere der Vakuumschaltröhre (1) erstreckt, wobei sich δ gemäß den Beziehungen
und 3·δ < L_s < 0,5·L_K ergibt, mit ε_r: Dielektrizitätskonstante des Isolierstoffgehäuseteils (11, 12, 13, 14, 15, 16) L_s: anteilige Schirmlänge L_K: Länge des Isolierstoffgehäuseteils.