DE102017222413A1

DE102017222413A1 - Überdruckfeste Vakuumschaltröhre

Info

Publication number: DE102017222413A1
Application number: DE102017222413.4A
Authority: DE
Inventors: Frank Graskowski; Lydia Baron; Christian Stiehler; Andreas Lawall
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2019-06-13
Also published as: CN111448634A; EP3698390C0; EP3698390A1; CN111448634B; US11289292B2; JP7214744B2; JP2021506094A; WO2019115175A1; EP3698390B1; US20210074493A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre (10) mit mindestens einem Isolierkörper (20), einem Festkontakt (30), einem Festkontaktflansch (40), einem Bewegkontakt (50) mit einer Längsachse (56) des Bewegkontaktes (50), einem Bewegkontaktflansch (60), einem Balg (80), wobei der Festkontakt (30) ortsfest in dem Festkontaktflansch (40) angeordnet ist, der Bewegkontakt (50) beweglich geführt ist und der Bewegkontakt durch den Balg (80) beweglich am Bewegkontaktflansch (60) befestigt ist, wobei der Balg (80) mit einem ersten Balgende (82) am Bewegkontaktflansch (60) befestigt ist und der Balg (80) mit einem zweiten Balgende (84) am Bewegkontakt (50) befestigt ist, wobei die Vakuumschaltröhre (10) gegenüber Deformationen von mindestens einem aus Festkontaktflansch (40) und Bewegkontaktflansch (60) durch einen Umgebungsdruck der Vakuumschaltröhre 10 von über zwei Bar, 2 bar, durch einen versteiften Festkontaktflansch (40') und/oder Bewegkontaktflansch (60') geschützt ist.

Description

Die Erfindung bezieht eine überdruckfeste Vakuumschaltröhre für Mittelspannungsschaltanlagen und Hochspannungsschaltanlagen und eine Schaltanlage mit einer solchen überdruckfesten Vakuumschaltröhre.
Vakuumschaltröhren aus dem Stand der Technik sind nicht für den Betrieb unter hohem Umgebungsdruck geeignet. Insbesondere führen hohe Umgebungsdrücke von mehr als einen Bar (1 bar), insbesondere mehr als zwei Bar (2 bar) zu Deformationen an dem Festkontaktflansch und/oder dem Bewegkontaktflansch. Diese Deformationen beeinträchtigen die Funktion der Vakuumschaltröhre und können auch zur Zerstörung der Vakuumschaltröhre führen.
Aufgabe der Erfindung ist es nun eine überdruckfeste Vakuumschaltröhre bereitzustellen, die eine Deformation des Festkontaktflansches und/oder des Bewegkontaktflansches reduziert oder verhindert.
Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch 1 und den von diesem abhängigen Ansprüchen gelöst.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Vakuumschaltröhre mindestens einem Isolierkörper, einem Festkontakt, einem Festkontaktflansch, einem Bewegkontakt mit einer Längsachse des Bewegkontaktes, einem Bewegkontaktflansch, einem Balg, wobei der Festkontakt ortsfest in dem Festkontaktflansch angeordnet ist, der Bewegkontakt beweglich geführt ist und der Bewegkontakt durch den Balg beweglich am Bewegkontaktflansch befestigt ist, wobei der Balg mit einem ersten Balgende am Bewegkontaktflansch befestigt ist und der Balg mit einem zweiten Balgende am Bewegkontakt befestigt ist, wobei die Vakuumschaltröhre gegenüber Deformationen von mindestens einem aus Festkontaktflansch und Bewegkontaktflansch durch einen Umgebungsdruck der Vakuumschaltröhre von über zwei Bar (2 bar) durch einen versteiften Festkontaktflansch und/oder Bewegkontaktflansch geschützt ist.
Ein Umgebungsdruck von mehr als 2 bar tritt insbesondere dann auf, wenn eine Vakuumschaltröhre in einem gasisolierten Behälter mit einem Isoliergas angeordnet ist und der Gasdruck im gasisolierten Behälter mehr als 2 bar beträgt. Alternativ kann die Vakuumschaltröhre aber auch in einem Fluid, insbesondere einem Isolierfluid, angeordnet sein und der Umgebungsdruck mehr als 2 bar betragen. Auch kann die Vakuumschaltröhre durch einen Feststoff, insbesondere eine Feststoffisolation, mit einem Druck von 2 bar beaufschlagt sein. Der Umgebungsdruck beschreibt als den auf die Außenseite der Vakuumschaltröhre wirkenden Druck.
Bevorzugt wird, dass die Versteifung des versteiften Festkontaktflansches und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches durch jeweils ein, dem jeweiligen Festkontaktflansch oder jeweiligen Bewegkontaktflansch zugeordnetes, Strukturelement erreicht wird, das zumindest teilweise die in das Innere der Vakuumschaltröhre orientierte Form des versteiften Festkontaktflansches und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches nachbildet.
Das Strukturelement erhöht dabei die Stabilität des jeweiligen versteiften Festkontaktflansches und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches ohne den Übergang zwischen dem Isolierelement und dem versteiften Festkontaktflansch und/oder dem versteiften Bewegkontaktflansch stärker mechanisch zu belasten.
Auch wird bevorzugt, dass das Strukturelement einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, wobei sich der erste Bereich im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Bewegkontaktes erstreckt und sich der zweite Bereich im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Bewegkontaktes erstreckt, wobei der erste Bereich im Wesentlichen die in das Innere der Vakuumschaltröhre orientierte Form des versteiften Festkontaktflansches und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches nachbildet und der zweite Bereich den ersten Bereich im Wesentlichen stützt.
Weiter wird bevorzugt, dass zwischen dem Festkontaktflansch und dem Isolierelement oder an dem Festkontaktflansch ein Schirmelement angeordnet ist.
Bevorzugt wird auch, dass der zweite Bereich des Strukturelementes den ersten Bereich des Strukturelementes gegen das Isolierelement oder gegen das Isolierelement über das Schirmelement oder gegen einen dritten Bereich des Festkontaktflansches abstützt und der erste Bereich so den Festkontaktflansch gegen Deformationen schützt.
Auch wird bevorzugt, dass das oder die Strukturelemente nicht mit der Vakuumschaltröhre oder Bestandteilen der Vakuumschaltröhre verlötet sind. Dadurch wird verhindert, dass mechanische Spannungen in die Verbindung, insbesondere Lötung, zwischen Isolierelement und versteiften Festkontaktflansch und/oder dem versteiften Bewegkontaktflansch induziert werden.
Bevorzugt wird auch, dass die Versteifung des versteiften Festkontaktflansches und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches durch eine stärkere, dickere, Ausführung des versteiften Festkontaktflansches und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches erreicht wird, wobei der versteifte Festkontaktflansch und/oder versteifte Bewegkontaktflansch aus einem Material gebildet ist, das einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem Ausdehnungskoeffizienten des Isolierkörpers ähnlich ist. Insbesondere soll ähnlich eine Abweichung kleiner 10% vom Ausdehnungskoeffizienten des Materials des versteiften Festkontaktflansches und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches und dem Ausdehnungskoeffizienten des Isolierkörpers bedeuten, besonders bevorzugt kleiner 5%.
Weiter wird bevorzugt, dass der Isolierkörper aus einer Keramik gebildet ist und dass der versteifte Festkontaktflansche und/oder der versteifte Bewegkontaktflansch eine FeNiCo-Legierung enthält oder aus dieser gebildet wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Schaltanlage mit einer Vakuumschaltröhre nach einer oder mehreren der vorstehenden Ausführungen für Mittelspannungsanwendungen oder Hochspannungsanwendungen, wobei die Vakuumschaltröhre in einem gasdichten Behälter angeordnet ist, der mit einem Isoliergas befüllt ist und das Isoliergas in dem gasdichten Behälter einen Druck von mindestens 2 bar, bevorzugt von mehr als 3 bar, aufweist.
Bevorzugt wird, dass das Isoliergas eines oder mehrere von Fluorketonen, Nitrilen, Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid umfasst.
Besonders bevorzugt wird, dass das Isoliergas Stickstoff und Kohlendioxid oder ein Fluorketon und Stickstoff oder ein Fluorketon und Sauerstoff oder ein Fluorketon und Kohlendioxid enthält. Insbesondere wird bevorzugt, dass das Isoliergas zu 80% aus Stickstoff und zu 20% aus Kohlendioxid besteht. Die Prozentangaben beziehen sich auf Massenprozent oder Volumenprozent.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren erläutert.

1: Schnitt durch den Bereich des Festkontaktflansches einer herkömmlichen Vakuumschaltröhre
2: Schnitt durch Bereich des Festkontaktflansches einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre mit versteiftem Festkontaktflansch
3: Schnitt durch eine Vakuumschaltröhre mit erfindungsgemäß versteiftem Festkontaktflansch und versteiftem Bewegkontaktflansch;
4: Schnitt durch Bereich des Festkontaktflansches einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre mit versteiftem Festkontaktflansch

Die 1 zeigt einen Schnitt durch den Bereich des Festkontaktflansches 40 einer herkömmlichen Vakuumschaltröhre. Der Festkontaktstab 32 ist mit dem Festkontaktflansch 40 verbunden und wird so in das Innere einer Vakuumschaltröhre geführt. Der Festkontaktflansch 40 ist wiederum an einem Isolierteil 20 der Vakuumschaltröhre befestigt. In dem gezeigten Beispiel ist zwischen dem Festkontaktflansch 40 und dem Isolierteil 20 ein Schirmelement 90 befestigt. Alternativ kann das Schirmelement 90 auch am Festkontaktflansch 40 befestigt sein und der Festkontaktflansch 40 direkt an dem Isolierteil 20 befestigt sein.
Eine stärkere Ausführung des Festkontaktflansches 40, also eine Ausführung, bei der die Materialstärke, -dicke, vergrößert wurde würde in dem Bereich, wo der Festkontaktflansch 40 direkt oder über ein Schirmelement mit dem mit dem Isolierelement verbunden ist zu starken mechanischen Belastungen führen und so eine dauerhafte Funktionsfähigkeit der Vakuumschaltröhre verhindern.
Die 2 zeigt einen Schnitt durch den Bereich des Festkontaktflansches 40' einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre mit versteiftem Festkontaktflansch 40'. Der Festkontaktstab 32 ist wieder mit dem Festkontaktflansch 40' verbunden und wird so in das Innere einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre geführt. Der Festkontaktflansch 40' ist wiederum an einem Isolierteil 20 der Vakuumschaltröhre befestigt. In dem gezeigten Beispiel ist zwischen dem Festkontaktflansch 40' und dem Isolierteil 20 ein Schirmelement 90 befestigt. Alternativ kann das Schirmelement 90 auch am Festkontaktflansch 40' befestigt sein und der Festkontaktflansch 40' direkt an dem Isolierteil 20 befestigt sein. Der Festkontaktflansch 40' wird in dem Beispiel der 2 durch das Strukturelement 45 versteift. Dabei bildet das Strukturelement 45 in einen ersten Bereich 46, der im wesentlicher senkrecht zu der Längsachse 56 des Festkontaktes 30 orientiert ist, im Wesentlichen die in das Innere der Vakuumschaltröhre gerichtete Form des Festkontaktflansches 40' nach und liegt in diesem Fall sogar an dem Festkontaktflansches 40' an. In einem zweiten Bereich 47 des Strukturelements 45, der im Wesentlichen parallel zur Längsachse 56 des Festkontaktes 30 orientiert ist, stützt der zweite Bereich 47 den ersten Bereich 46 gegen den Festkontaktflansch 40' ab. Alternativ kann der zweite Bereich 47 des Strukturelements 45 den ersten Bereich 46 des Strukturelementes 45 auch gegen das Isolierelement 20 und/oder das Schirmelement 90 abstützen.
Die 3 zeigt einen Schnitt durch eine Vakuumschaltröhre 10 mit erfindungsgemäß versteiftem Festkontaktflansch 40' und versteiftem Bewegkontaktflansch 60'. Die Vakuumschaltröhre 10 verfügt in diesem Ausführungsbeispiel über vier Isolierelemente 20, wobei zwischen zwei Isolierelementen 20 ein Zwischenelement 25 angeordnet ist, das aus einem elektrisch leitfähigen oder elektrisch nicht leitfähigen Material bestehen kann.
Der Bewegkontakt 50 ist mittels eines Balgs 80 beweglich in die Vakuumschaltröhre 10 geführt, wobei ein ersten Balgende 82 am versteiftem Bewegkontaktflansch 60' befestigt ist und ein zweites Balgende 84 am Bewegkontaktstab 52 befestigt ist, entweder direkt oder über eine Balgkappe 86. Außerdem weist die Balgkappe einen optionalen Balgschirm 88 auf.
Der Bewegkontaktflansch 60' ist direkt oder über ein Schirmelement 90 mit einem Isolierelement 20 der Vakuumschaltröhre 10 verbunden.
Der Bewegkontaktflansch 60' wird durch das Stützelement 65 versteift. Das Strukturelement 65 weist einen ersten Bereich 66 auf, der im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse 56 des Bewegkontaktes 50 orientiert ist, im Wesentlichen die in das Innere der Vakuumschaltröhre gerichtete Form des Bewegkontaktflansches 60' nach und liegt in diesem Fall sogar an dem Bewegkontaktflansches 60' an. In einem zweiten Bereich 67 des Strukturelements 65, der im Wesentlichen parallel zur Längsachse 56 des Bewegkontaktes 50 orientiert ist, stützt der zweite Bereich 67 den ersten Bereich 66 gegen den Bewegkontaktflansch 60' ab. Alternativ kann der zweite Bereich 67 des Strukturelements 65 den ersten Bereich 66 des Strukturelementes 65 auch gegen das Isolierelement 20 und/oder das Schirmelement 90 abstützen.
Der Bewegkontakt 50 besteht in dem Ausführungsbeispiel aus einem Bewegkontaktstab 53, einem Bewegkontaktkörper 55 und einer Bewegkontaktkontaktscheibe 54.
Der Festkontakt 30 wird hier von einem Festkontaktstab 32, einem Festkontaktkörper 35 und einer Festkontaktkontaktscheibe 34 gebildet und ist mit dem Festkontaktflansch 40' verbunden und wird so in das Innere einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre 10 geführt. Der Festkontaktflansch 40' ist wiederum an einem Isolierteil 20 der Vakuumschaltröhre befestigt. In dem gezeigten Beispiel ist zwischen dem Festkontaktflansch 40' und dem Isolierteil 20 ein Schirmelement 90 befestigt. Alternativ kann das Schirmelement 90 auch am Festkontaktflansch 40' befestigt sein und der Festkontaktflansch 40' direkt an dem Isolierteil 20 befestigt sein. Der Festkontaktflansch 40' wird in dem Beispiel der 3 durch das Strukturelement 45 versteift. Dabei bildet das Strukturelement 45 in einen ersten Bereich 46, der im wesentlicher senkrecht zu der Längsachse 56 des Festkontaktes 30 orientiert ist, im Wesentlichen die in das Innere der Vakuumschaltröhre gerichtete Form des Festkontaktflansches 40' nach und liegt in diesem Fall sogar an dem Festkontaktflansches 40' an. In einem zweiten Bereich 47 des Strukturelements 45, der im Wesentlichen parallel zur Längsachse 56 des Festkontaktes 30 orientiert ist, stützt der zweite Bereich 47 den ersten Bereich 46 gegen den Festkontaktflansch 40' ab. Alternativ kann der zweite Bereich 47 des Strukturelements 45 den ersten Bereich 46 des Strukturelementes 45 auch gegen das Isolierelement 20 und/oder das Schirmelement 90 abstützen.
Die 4 zeigt einen Schnitt durch Bereich des Festkontaktflansches 40'' einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre mit versteiftem Festkontaktflansch 40''.
Der Festkontaktstab 32 ist mit dem Festkontaktflansch 40'' verbunden und wird so in das Innere einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre geführt. Der Festkontaktflansch 40'' ist an einem Isolierteil 20 der Vakuumschaltröhre befestigt. In dem gezeigten Beispiel ist zwischen dem Festkontaktflansch 40'' und dem Isolierteil 20 ein Schirmelement 90 befestigt. Alternativ kann das Schirmelement 90 auch am Festkontaktflansch 40' befestigt sein und der Festkontaktflansch 40'' direkt an dem Isolierteil 20 befestigt sein.
Der Festkontaktflansch 40'' wird in dem Beispiel der 4 dadurch versteift, dass eine stärkere, also vom Material her dickere, Ausführung des versteiften Festkontaktflansches 40'' verwendet wird, wobei der versteifte Festkontaktflansch 40'' aus einem Material gebildet ist, das einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem Ausdehnungskoeffizienten des Isolierkörpers 20 ähnlich ist.
Stärkeres oder dickeres Material, stärkere oder dickere Ausführung des Materials soll in diesem Zusammenhang bedeuten, dass das der Festkontaktflansch 40'' eine größere Materialdicke 41 aufweist.
Bezugszeichenliste

10: Vakuumschaltröhre
20: Isolierkörper
25: Zwischenelement
30: Festkontakt
32: Festkontaktstab
34: Festkontaktkontaktscheibe
35: Festkontaktkörper
40, 40', 40'': Festkontaktflansch
42: Materialdicke des Festkontaktflansch 40''
45: Strukturelement
46: erster Bereich des Strukturelements 45
47: zweiter Bereich des Strukturelements 45
50: Bewegkontakt
52: Bewegkontaktstab
54: Bewegkontaktkontaktscheibe
55: Bewegkontaktkörper
56: Längsachse des Bewegkontakts und Festkontaktes
60, 60': Bewegkontaktflansch
65: Strukturelement
66: erster Bereich des Strukturelements 65
67: zweiter Bereich des Strukturelements 65
70: Bewegkontaktlager
80: Balg
82: erstes Balgende
84: zweites Balgende
86: Balgkappe
88: Balgschirm
90: Schirmelement

Claims

Vakuumschaltröhre (10) mit mindestens einem Isolierkörper (20), einem Festkontakt (30), einem Festkontaktflansch (40), einem Bewegkontakt (50) mit einer Längsachse (56) des Bewegkontaktes (50), einem Bewegkontaktflansch (60), einem Balg (80), wobei der Festkontakt (30) ortsfest in dem Festkontaktflansch (40) angeordnet ist, der Bewegkontakt (50) beweglich geführt ist und der Bewegkontakt durch den Balg (80) beweglich am Bewegkontaktflansch (60) befestigt ist, wobei der Balg (80) mit einem ersten Balgende (82) am Bewegkontaktflansch (60) befestigt ist und der Balg (80) mit einem zweiten Balgende (84) am Bewegkontakt (50) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltröhre (10) gegenüber Deformationen von mindestens einem aus Festkontaktflansch (40) und Bewegkontaktflansch (60) durch einen Umgebungsdruck der Vakuumschaltröhre 10 von über zwei Bar, 2 bar, durch einen versteiften Festkontaktflansch (40') und/oder Bewegkontaktflansch (60') geschützt ist.
Vakuumschaltröhre (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifung des versteiften Festkontaktflansches (40') und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches (60') durch jeweils ein Strukturelement (45, 65) erreicht wird, das zumindest teilweise die in das Innere der Vakuumschaltröhre orientierte Form des versteiften Festkontaktflansches (40') und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches (60') nachbildet.
Vakuumschaltröhre (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (45, 65) einen ersten Bereich (46, 66) und einen zweiten Bereich (47, 67) aufweist, wobei sich der erste Bereich (46, 66) im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (56) des Bewegkontaktes (50) erstreckt und sich der zweite Bereich (47, 67) im Wesentlichen parallel zur Längsachse (56) des Bewegkontaktes (50) erstreckt, wobei der erste Bereich (46, 66) im Wesentlichen die in das Innere der Vakuumschaltröhre orientierte Form des versteiften Festkontaktflansches (40') und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches (60') nachbildet und der zweite Bereich (47, 67) den ersten Bereich (46, 66) im Wesentlichen stützt.
Vakuumschaltröhre (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Festkontaktflansch (40') und/oder Bewegkontaktflansch (60') und dem Isolierelement (20) oder an dem Festkontaktflansch (40') und/oder Bewegkontaktflansch (60') ein Schirmelement (90) angeordnet ist.
Vakuumschaltröhre (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (47, 67) des Strukturelementes (45, 65) den ersten Bereich (46, 66) des Strukturelementes (45, 65) gegen • das Isolierelement, oder • gegen das Isolierelement (20) über das Schirmelement (90), oder • gegen einen dritten Bereich (41) des Festkontaktflansches (40') und/oder Bewegkontaktflansches (60') abstützt und der erste Bereich (46, 66) so den Festkontaktflansch (40') und/oder den Bewegkontaktflansch (60') gegen Deformationen schützt.
Vakuumschaltröhre (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Strukturelemente (45, 65) nicht mit der Vakuumschaltröhre (10) oder Bestandteilen der Vakuumschaltröhre (10) verlötet ist.
Vakuumschaltröhre (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifung des versteiften Festkontaktflansches (40'') und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches durch eine stärke Ausführung des versteiften Festkontaktflansches (40'') und/oder des versteiften Bewegkontaktflansches erreicht wird, wobei der versteifte Festkontaktflansch (40") und/oder versteifte Bewegkontaktflansch aus einem Material gebildet ist, das einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem Ausdehnungskoeffizienten des Isolierkörpers (20) ähnlich ist.
Vakuumschaltröhre (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (20) aus einer Keramik gebildet ist und dass der versteifte Festkontaktflansch (40'') und/oder der versteifte Bewegkontaktflansch eine FeNiCo-Legierung enthält oder aus dieser gebildet wird.
Schaltanlage mit einer Vakuumschaltröhre 10 nach einem der vorstehenden Ansprüche für Mittelspannungsanwendungen oder Hochspannungsanwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltröhre in einem gasdichten Behälter angeordnet ist, der mit einem Isoliergas befüllt ist und das Isoliergas in dem gasdichten Behälter einen Druck von mindestens 2 bar, bevorzugt von mehr als 3 bar, aufweist.
Schaltanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliergas eines oder mehrere von Fluorketonen, Nitrilen, Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid umfasst.