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Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement für einen Axialmagnetfeldkontakt eines Vakuumschalters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Vakuumschalter mit einem Schaltergehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
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Der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung steigt stetig. Dies stellt Stromnetze vor besonders große Herausforderungen. Da regenerative Energiequellen Strom sehr volatil liefern können, muss häufiger in den Betrieb der Stromnetze eingegriffen werden. Je mehr Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt wird, desto wichtiger werden Schaltanlagen. Je häufiger der Energiefluss mittels Schaltanlagen geregelt werden muss, desto entscheidender ist die Zuverlässigkeit und Robustheit der Schaltanlagen.
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Darüber hinaus ist eine umweltfreundliche Schalttechnik wünschenswert. Ein großer Teil von Schaltanlagen, insbesondere im Hochspannungs-, aber auch im Mittelspannungsbereich, basiert auf Schaltanlagen, welche mittels Schwefelhexafluorid (SF6) als Isolationsgas und als Schaltlichtbogenmedium arbeiten. Aus technischer Sicht bietet dieses Gas viele Vorteile, jedoch ist es eines der stärksten bekannten Treibhausgase.
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Eine Möglichkeit, ohne Schwefelhexafluorid zu schalten, ist die Vakuumschalttechnik. Diese wird im Mittelspannungsbereich bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Auch im Hochspannungsbereich hat sie in jüngerer Zeit Eingang gefunden. Aktuelle Vakuumschalttechniken beziehungsweise Vakuumschaltkontakte und Vakuumschalter können im „Kaltbetrieb“, das heißt ohne Strom, bis zu mehrere 100.000-mal öffnen und schließen, ehe eine Wartung nötig ist. Dennoch sind die Kontakte beziehungsweise Kontaktelemente der Vakuumschalter starken mechanischen Belastungen, insbesondere beim Ein- und Ausschalten von Betriebs- und Kurzschluss-Strömen, ausgesetzt.
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Ein in der Vakuumschalttechnik häufig eingesetzter Schaltkontakttyp ist der Axialmagnetfeldkontakt. Es weist ein Kontaktscheibenelement aus einem Kupfer-Chrom-Komposit-Werkstoff (CuCr) und ein Tassenelement aus Kupfer auf, welches auch als Topfelement bezeichnet wird. Das Kontaktscheibenelement ist dem Kontaktspalt zugewandt, auf welchem der Schaltlichtbogen brennt. Die Wände des Tassenelementes sind in helikaler Weise geschlitzt, um dem durch sie fließenden elektrischen Strom eine azimutale Richtungskomponente zu verleihen und somit ein axiales Magnetfeld im Kontaktspalt zu erzeugen. Dieses zwingt den Schaltlichtbogen, in einer diffusen Konfiguration zu brennen, um die energetische Beanspruchung des Kontaktscheibenelementes durch den Lichtbogen auf eine möglichst große Fläche zu verteilen.
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Das Kontaktelement ist insbesondere zum Schalten starker Kurzschluss-Ströme in Mittel- und Hochspannungsnetzen ausgebildet. Ferner können damit Gleich- und Wechselströme geschaltet werden, wobei letztere bevorzugt geschalten werden. Eine Trennung zwischen Mittelspannung und Hochspannung kann bei zirka 50 kV angesetzt werden. Bei Spannungen unterhalb von 1 kV spricht man in der Regel von Niederspannung.
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Das Kontaktscheibenelement und das Tassenelement sind elektrisch leitend miteinander verbunden und begrenzen einen Innenraum. Zur mechanischen Stabilisierung des Axialmagnetfeldkontakts des Vakuumschalters beziehungsweise einer Vakuumschaltröhre weist das Kontaktelement häufig im Innenraum zwischen dem Kontaktscheibenelement und dem Tassenelement angeordnete Stützelemente auf, durch welches beziehungsweise welches das Kontaktscheibenelement im Bereich des Innenraums an dem Tassenelement abgestützt ist. Die Stützelemente können lose in den Innenraum eingelegt oder galvanisch fest, beispielsweise durch Lötung, mit dem Kontaktelement verbunden sein.
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Die Stützelemente bestehen meist aus Edelstahl, das eine geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt als Kupfer, dem Material des Tassenelements. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Stützelemente nur zu einer geringen Beeinflussung des Stromflusses im Tassenelement führen - und somit nur zu einer geringen Beeinträchtigung des Axialmagnetfeldes zur Lichtbogensteuerung während des Ausschaltvorgangs.
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Auch treten in der Stützstruktur nur geringe wechselstrombedingte Wirbelströme, die das Axialmagnetfeld negativ beeinflussen, auf.
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Die Stützelemente dienen insbesondere zur Stabilisierung des Kontaktelements bei einer Stauchung beziehungsweise einem Stauchungsvorgang während des Einschaltvorgangs. Darüber hinaus wirken die Stützelemente einer Aufwölbung einer Lichtbogenkontaktfläche und Deformation der Schlitzstruktur des Tassenelementes durch Stromkräfte und thermische Lichtbogeneinwirkung während des Ausschaltvorgangs entgegen. Die Stützbauteile verursachen jedoch einen besonders großen Montageaufwand.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kontaktelement eines Axialmagnetfeldkontaktes beziehungsweise einen Vakuumschalter mit einem Axialmagnetfeldkontakt bereitzustellen, welche eine besonders hohe mechanische Stabilität für Schaltvorgänge aufweisen und dabei besonders einfach herzustellen sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kontaktelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Vakuumschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Kontaktelement für einen Axialmagnetfeldkontakt eines Vakuumschalters weist ein Kontaktscheibenelement und ein Tassenelement auf. Das Kontaktscheibenelement und das Tassenelement begrenzen einen Innenraum und sind elektrisch leitend miteinander verbunden. Ferner weist das Kontaktelement eine im Innenraum zwischen dem Kontaktscheibenelement und dem Tassenelement angeordnete Stützstruktur auf, durch welche das Kontaktscheibenelement im Bereich des Innenraums an dem Tassenelement abgestützt ist.
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Damit das Kontaktelement besonders stabil und damit für hohe Schaltzahlen bei gleichzeitiger einfacher Montage ausgebildet werden kann, umfasst die Stützstruktur ein Wabenstrukturelement, welches den Innenraum zwischen dem Kontaktscheibenelement und dem Tassenelement zumindest teilweise ausfüllt. Mit anderen Worten ist als die Stützstruktur eine wabenförmige Struktur, welche insbesondere eine variable Wabengröße der einzelnen Waben aufweisen kann, in den Kontakt beziehungsweise das Kontaktelement eingebettet. Dabei kann die Wabenstruktur derart ausgeprägt sein, dass erstens - bedingt durch ihre Geometrie - ihr elektrischer Widerstand nur einen besonders niedrigen Stromfluss erlaubt, der den Stromfluss in dem Tassenelement nur geringfügig erniedrigt und somit ein Axialmagnetfeld zur Lichtbogensteuerung nur geringfügig beeinträchtigt. Und dass zweitens - wieder bedingt durch ihre Geometrie - Wirbelströme in der Wabenstruktur, die das Axialmagnetfeld zur Lichtbogensteuerung negativ beeinflussen, besonders gering ausfallen können.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung der Wabenstruktur mit Werkstoffen, die eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als das Material des Tassenelementes, Kupfer. Die Stützstruktur beziehungsweise das Wabenstrukturelement ist somit vorteilhafterweise aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff - oder zumindest aus einem nichtmagnetischen Metall, wie beispielsweise Edelstahl ausgebildet.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem galvanischen Trennen des Kontaktelements von dem anderen Kontaktelement eines Vakuumschalters durch den auszuschaltenden Strom im Vakuum eine Metalldampflichtbogenentladung eingeleitet wird. Dabei wird der entstehende Lichtbogen insbesondere zwischen den jeweiligen Kontaktscheibenelementen der Kontaktelemente ausgebildet. Das heißt, dass in einem Metalldampfplasma der in wenigstens einem Teilbereich verdampfenden Kontaktscheibenelemente weiter Strom fließt, wobei dieser bei einem Wechselstrombetrieb bei einem nachfolgenden Nulldurchgang erlischt. Die Löschung des Lichtbogens und ein Wiederverfestigen des Metalldampfs charakterisieren die Eigenschaften des Kontaktelements beziehungsweise des Vakuumschalters. Durch den diffusen Lichtbogen aufgrund des Axialmagnetfelds wird das scheibenförmige Kontaktscheibenelement, welches eine Lichtbogenkontaktfläche ausbildet, gleichmäßig beansprucht, wodurch ein lokales Aufschmelzen nur eines Teilbereichs der Lichtbogenkontaktfläche vermieden werden kann.
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Die durch den Stromfluss erzeugten Magnetfeldkräfte wirken auf das Tassenelement prinzipbedingt wie auf eine Spule und versuchen dieses wie bei einer realen Spule in axialer Richtung zu verkürzen, in radialer Richtung aufzuweiten und in azimutaler Richtung gegenüber dem Kontaktscheibenelement zu verdrehen. Da das Kontaktscheibenelement fest mit dem Tassenelement verlötet ist, führt dies erstens zu einer Deformation des Kontaktelementes mit einhergehender Einwölbung des zentralen Bereichs des Kontaktscheibenelements in Richtung Tassenboden und zweitens zu einer Deformation der stromführenden Segmente in dem Tassenelement mit einhergehender Aufweitung der Schlitze zwischen den Segmenten. Die auftretenden Deformationen werden auch als Auftulpung bezeichnet. Durch die Auftulpung kann das Kontaktelement sehr stark mechanisch beansprucht werden.
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Diese magnetischen Deformationskräfte, insbesondere die zur azimutalen Deformation führenden Kräfte, sollten besonders gut kompensiert werden. Hierzu sollte die Stützstruktur fest mit dem Kontaktscheibenelement verlötet sein. Ein lockeres Einlegen der Stützstruktur reicht nicht aus. Eine galvanische Verbindung mit dem Tassenelement ist zu vermeiden, um die Axialmagnetfelderzeugung nicht ungünstig zu beeinflussen. Dies ist eine der Aufgaben der Stützstruktur beziehungsweise des Wabenstrukturelements.
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Ferner werden bei einem Einschaltvorgang, insbesondere in dem Moment, in welchem das Kontaktelement mit dem für den Vakuumschalter benötigten zweiten Kontaktelement in Berührung kommt, mechanische Stauchungskräfte wirksam. Diese führen zu einer Verkürzung des Kontaktelementes in axialer Richtung, das heißt insbesondere zu einer Deformation des Tassenelementes mit einhergehender Annäherung oder sogar Berührung benachbarter stromführender Segmente, wodurch die Erzeugung des Axialmagnetfeldes ungünstig beeinflusst wird.
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Diese Stauchungskräfte sollten besonders gut kompensiert beziehungsweise abgefedert werden. Hierzu reicht es aus, die Stützstruktur locker, das heißt ohne Lötung, aber gut zentriert, in den Innenraum des Kontaktelementes einzubringen. Eine galvanische Verbindung mit dem Tassenelement ist zu vermeiden. Dies ist eine der Aufgaben der Stützstruktur beziehungsweise des Wabenstrukturelements.
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Ferner treten bei dem Ausschaltvorgang aufgrund des genannten Verdrehens insbesondere im Randbereich des Kontaktscheibenelements, wo Kontaktscheibenelement und Tassenelement mit einander verlötet sind, Belastungen auf - bis hin zu einem Aufbrechen der galvanischen Verbindung von Kontaktscheibenelement und Tassenelement -, welche ebenfalls durch die Stützstruktur stabilisiert werden können beziehungsweise sollen. Durch die Ausbildung von zumindest Teilen der Stützstruktur als Wabenstruktur, wodurch die Stützstruktur das Wabenstrukturelement umfasst, ist es, insbesondere im Gegensatz zu den im Stand der Technik genannten Stützelementen (Edelstahl) möglich, dass als die Stützstruktur nur ein Bauteil benötigt wird. Die Stützstruktur, welche das Wabenstrukturelement umfasst, ist somit vorteilhafterweise mit dem Wabenstrukturelement einstückig ausgebildet. Dadurch kann aufgrund der geringeren Bauteileanzahl ein Montageaufwand besonders gering gehalten werden. Dadurch reduziert sich der Fertigungsaufwand des Kontaktelements und somit eines Vakuumschalters bei gleichzeitig gesteigerter Leistung des Kontaktelements. Dadurch kann eine besonders hohe Qualität bei gleichzeitig besonders niedrigen Fertigungskosten realisierbar sein.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Wabenstrukturelement additiv gefertigt. Darüber hinaus kann die gesamte Stützstruktur additiv gefertigt sein, wobei unter additiver Fertigung insbesondere ein 3D-Metalldruckverfahren, wie beispielsweise Lasersintern, zu verstehen ist. Durch die additive Fertigung kann die Stützstruktur und insbesondere das Wabenstrukturelement besonders flexibel hergestellt werden, das heißt es kann beispielsweise eine variable Wabenstruktur hergestellt werden. So kann die Stützstruktur für den jeweiligen Anwendungsfall besonders vorteilhaft angepasst werden. Darüber hinaus sinkt der Fertigungsaufwand bei der Produktion des Kontaktelements.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Stützstruktur in einem ersten Teilbereich ein erstes Wabenstrukturelement und in wenigstens einem weiteren Teilbereich ein weiteres Wabenstrukturelement auf. Mit anderen Worten herrscht in einem Teilbereich der Stützstruktur eine erste Wabenstruktur und in einem von dem ersten Teilbereich unterschiedlichen, wenigstens einen weiteren Teilbereich eine von der ersten Wabenstruktur unterschiedliche Wabenstruktur vor. Dabei kann sich die erste Wabenstruktur beziehungsweise das erste Wabenstrukturelement von der wenigstens einen weiteren Wabenstruktur beziehungsweise dem weiteren Wabenstrukturelement dahingehend unterscheiden, dass beispielsweise die Größe der Waben unterschiedlich ist. Darüber hinaus könnte auch die Form der Waben oder ähnliches einen Unterschied zwischen dem ersten Wabenstrukturelement und dem zweiten Wabenstrukturelement herausbilden. Durch die Verwendung unterschiedlicher Wabenstrukturelemente in dem Kontaktelement kann beispielsweise je nach Bedarf der mechanischen Belastung, welche beispielsweise in einem Randbereich des Tassenelements beziehungsweise Kontaktscheibenelements größer ist als in deren jeweiligen Zentrum, eine Wabenstruktur verwendet werden, welche feinmaschiger ist, das heißt kleinere Waben aufweist, wodurch die mechanische Stabilität in den entsprechenden Teilbereichen erhöht werden kann. Durch die Verwendung unterschiedlicher Wabenstrukturelemente kann eine besonders hohe Stabilität in benötigten Teilbereichen realisiert werden, bei einem gleichzeitig besonders geringen Materialeinsatz des Werkstoffs für das Strukturelement.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein Übergang zwischen dem ersten Wabenstrukturelement und dem weiteren Wabenstrukturelement fließend. Das heißt, dass der Übergang zwischen der ersten Wabenstruktur und der zweiten Wabenstruktur stetig ist. Darunter ist zu verstehen, dass sich beispielsweise an der Grenze zwischen dem ersten Wabenstrukturelement und dem zweiten Wabenstrukturelement die beispielsweise Größe der Wabe nicht schlagartig ändert. Es wird stattdessen eine dynamische Änderung von beispielsweise der ersten Wabenform in die zweite Wabenform, durch beispielsweise stetiger Veränderung der Größe von Wabe zu Wabe, vollzogen. Dadurch kann beispielsweise keine definierte Grenze zwischen der ersten und der weiteren Wabenstruktur beziehungsweise dem ersten und dem zweiten Wabenstrukturelement ausgemacht werden. Durch diesen fließenden Übergang kann beispielsweise erreicht werden, dass Kräfte, welche die Stützstruktur aufzunehmen hat, besonders vorteilhaft aufgenommen werden können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bildet das Wabenstrukturelement wenigstens eine Stützhülse aus. Mit anderen Worten wird durch die Ausbildung der Waben des Wabenstrukturelements eine Wandung beziehungsweise ein Körper der Stützhülse geformt beziehungsweise ausgebildet. Dabei erstreckt sich die Stützhülse im Wesentlichen entlang einer Hochrichtung beziehungsweise z-Richtung, welche senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Kontaktscheibenelements steht. Dabei ist die Stützhülse im Wesentlichen zentral um eine parallel zur z-Richtung verlaufende Symmetrieachse des, insbesondere runden, Kontaktscheibenelements orientiert. Die Stützhülse ist somit insbesondere als Hohlraum, welcher in seinem Inneren wabenfrei ist, wobei er von der Wabenstruktur begrenzt ist, in dem Wabenstrukturelement ausgebildet. An der Wandung können die Waben beispielsweise geöffnet oder geschlossen sein, sodass die Wandung der Stützhülse Öffnungen aufweisen kann oder nicht. Die Stützhülse kann beispielsweise die mechanische Eigenschaft des Kontaktelements besonders vorteilhaft beeinflussen. Ein weiterer Vorteil der Stützhülse kann ein Einfluss auf die Form des bei einem Stromfluss durch das Kontaktelement erzeugten Magnetfelds sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine Wabenstrukturelement mechanisch federnd ausgeführt. Mit anderen Worten kann das Wabenstrukturelement, bei einem Einschaltvorgang, bei welchem das Kontaktscheibenelement des Kontaktelements mit dem Kontaktscheibenelement eines weiteren Kontaktelements durch mechanische Kräfte aneinander stoßen, die durch den Stoß verursachte mechanische Belastung aufgrund einer Elastizität beziehungsweise Flexibilität besonders vorteilhaft reduzieren.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Wabenstrukturelement zumindest teilweise aus Metall, insbesondere aus Edelstahl, ausgebildet. Durch die Verwendung von Metall, insbesondere Edelstahl, als Werkstoff für die Stützstruktur ist diese mechanisch besonders stabil. Durch die Verwendung von Metall beziehungsweise insbesondere Edelstahl als Werkstoff der Stützstruktur ergeben sich für diese die Vorteile einer beispielsweise besonders hohen Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger mechanischer Stabilität, dies im Vergleich zu nichtmetallischen Werkstoffen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Wabenstrukturelement zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden beziehungsweise nichtleitenden Werkstoff ausgebildet. Durch die Verwendung eines elektrisch isolierenden beziehungsweise nichtleitenden Werkstoffs für das Wabenstrukturelement kann die Stützstruktur derart ausgebildet werden, dass beispielsweise Wirbelströme und/oder der am Tassenelement vorbei fließende Anteil des elektrische Betriebs- oder Kurzschluss-Stroms in dem Wabenstrukturelement besonders gering gehalten werden können, sodass beispielsweise das durch den Stromfluss im Kontaktelement erzeugte Magnetfeld die Lichtbogensteuerung nicht negativ beeinflusst. Als nichtleitender Werkstoff kann beispielsweise eine besondere Keramik und/oder ein Verbundmaterial verwendet werden, wobei der Werkstoff jeweils den starken, insbesondere thermischen und mechanischen, Belastungen standzuhalten hat. Somit kann der elektrische Widerstand der Wabenstruktur vorteilhafterweise besonders klein sein im Vergleich zu dem des Tassenelements.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind das Kontaktscheibenelement aus einer Kupfer-Chrom-Verbindung und das Tassenelement aus Kupfer gebildet. Das heißt, das Kontaktscheibenelement kann aus einer Kupfer-Chrom-Verbindung hergestellt sein beziehungsweise die Kupfer-Chrom-Verbindung umfassen beziehungsweise aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann das Tassenelement Kupfer aufweisen. Vorzugsweise sind das Tassenelement aus Kupfer und das Kontaktscheibenelement aus der Kupfer-Chrom-Verbindung beziehungsweise Legierung gebildet. Kupfer weist besonders gute thermische und elektrische Leitfähigkeiten auf, wodurch es besonders vorteilhaft für das Tassenelement verwendet werden kann. Darüber hinaus ist die Kupfer-Chrom-Verbindung beziehungsweise Kupfer-Chrom-Legierung, welche insbesondere in dem Kontaktscheibenelement Verwendung findet, insbesondere beim Verdampfen von Teilen des Kontaktscheibenelements infolge der Wechselwirkung des Lichtbogens mit dem Kontaktscheibenelement und bei der nachfolgenden Kondensation des Metalldampfs auf dem Kontaktscheibenelement besonders vorteilhaft. Durch die Verwendung von Kupfer im Tassenelement kann eine besonders hohe Leitfähigkeit des Kontaktelements erreicht werden bei gleichzeitig, insbesondere im Vergleich zu beispielsweise Silber, günstigen Materialkosten.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Kontaktscheibenelement einen Durchmesser zwischen 40 und 160 mm auf. Mit anderen Worten ist das insbesondere scheibenförmig ausgebildete Kontaktscheibenelement in seiner Längserstreckungsrichtung zwischen 40 mm und 160 mm lang. In einer dazu senkrechten Hochrichtung kann das Kontaktscheibenelement beispielsweise eine Dicke zwischen 2 mm und 10 mm aufweisen. Durch die Wahl des Durchmessers in dem genannten Intervall kann für den zu schaltenden elektrischen Strom beziehungsweise die elektrische Leistung des Vakuumschalters, welche im Mittelspannungsbereich beziehungsweise Hochspannungsbereich eingesetzt werden, ein besonders vorteilhaftes und mechanisch sicheres Kontaktelement ausgebildet werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Wabenstrukturelement mit dem Kontaktscheibenelement und/oder mit dem Tassenelement mittels Schweißen, insbesondere Laserschweißen, und/oder mittels Löten, insbesondere Hartlöten, und/oder mittels Pressen beziehungsweise Verpressen, verbunden. Das heißt, das Wabenstrukturelement der Stützstruktur kann wenigstens an einer Stelle mittels Schweißen mit dem Kontaktscheibenelement verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Wabenstrukturelement mittels Schweißen, insbesondere an wenigstens einer Stelle, mit dem Tassenelement verbunden sein. Zusätzlich oder darüber hinaus kann das Wabenstrukturelement mit dem Kontaktscheibenelement und/oder mit dem Tassenelement verlötet sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Wabenstrukturelement mit dem Kontaktscheibenelement verpresst sein und/oder darüber hinaus kann das Wabenstrukturelement mit dem Tassenelement verpresst sein. Alternativ zu den genannten Verbindungstechniken kann das Wabenstrukturelement beziehungsweise die Stützstruktur einfach in die Tasse beziehungsweise das Tassenelement eingelegt sein.
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Durch das form- beziehungsweise stoffschlüssige Verbinden kann, im Gegensatz zu einem einfachen Einlegen, ein sogenanntes Aufdrillen beziehungsweise Aufdrehen besonders gering gehalten werden. Bei dem Aufdrehen wird, aufgrund der durch den Stromfluss induzierten Magnetfeldkräfte, das Kontaktscheibenelement gegen das Tassenelement bewegt. Dies kann zu einer mechanischen Belastung des Kontaktelements führen. Alternativ oder zusätzlich ist das Kontaktscheibenelement mit dem Tassenelement verlötet, insbesondere hartverlötet. Durch die genannten vorteilhaften Verbindungstechniken kann das Kontaktelement mechanisch besonders stabil ausgebildet und gegen das Aufdrehen gesichert werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit einem Schaltgehäuse mit einem evakuierten Innenbereich, welcher als Schaltkammer bezeichnet wird und in welchem sich zumindest teilweise eine Festkontaktvorrichtung und eine Bewegkontaktvorrichtung befinden. Die Festkontaktvorrichtung und die Bewegkontaktvorrichtung weisen jeweils ein Kontaktelement auf.
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Damit der Vakuumschalter besonders vorteilhaft und somit wartungsarm beziehungsweise langlebig mit besonders guten Schalteigenschaften ausgebildet werden kann, ist wenigstens eines der Kontaktelemente als erfindungsgemäßes Kontaktelement ausgebildet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kontaktelements sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des Vakuumschalters anzusehen und umgekehrt. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Axialmagnetfeld-Kontaktelements nach dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Schnittansicht eines Axialmagnetfeld-Kontaktelements mit einer Stützstruktur, welche ein Wabenstrukturelement umfasst; und
- 3 eine schematische Schnittansicht eines Vakuumschalters mit einem Schaltgehäuse sowie einer Festkontaktvorrichtung und einer Bewegkontaktvorrichtung, welche jeweils ein Kontaktelement aufweisen.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein Kontaktelement 10 für einen Axialmagnetfeldkontakt eines Vakuumschalters nach dem Stand der Technik.
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Das Kontaktelement 10 weist ein Kontaktscheibenelement 12 sowie ein Tassenelement 14 auf, welche einen Innenraum 16 begrenzen und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dabei ist die elektrisch leitende Verbindung zumindest an einer Grenzflächen 18 ausgebildet. Das Kontaktelement 10 umfasst in dem Innenraum 16 eine zwischen dem Kontaktscheibenelement 12 und dem Tassenelement 14 angeordnete Stützstruktur 20, durch welche das Kontaktscheibenelement 12 im Bereich des Innenraums 16 an dem Tassenelement 14 abgestützt ist. Die gezeigte Stützstruktur 20 dient in Schaltkontakten beziehungsweise Kontaktelementen 10 für Vakuumschalter zur Stabilisierung des durch die Kontaktelemente geschlossenen Kontakts. Insbesondere während eines Stauchungsvorgangs bei einem Einschaltvorgang und zur Vermeidung einer Aufwirbelung beziehungsweise Aufwölbung der als Lichtbogenkontaktfläche 32 ausgebildeten Oberfläche des Kontaktscheibenelements 12 während des Ausschaltvorgangs ist eine mechanische Stabilisierung wünschenswert.
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Wie in 1 zu sehen, besteht die Stützstruktur aus mehreren Edelstahlbauteilen 22. Diese Edelstahlbauteile 22 verursachen einen besonders großen Montageaufwand. Darüber hinaus führen sie zu einer Beeinflussung des durch den Stromfluss im Kontakt erzeugten Magnetfelds, was die Lichtbogensteuerung insbesondere während des Ausschaltvorgangs beeinflusst. Um den Montageaufwand zu reduzieren und gleichzeitig ein mechanisch besonders belastbares Kontaktelement 10 herzustellen, wird im Folgenden eine besonders vorteilhafte Alternative zu dem mit den Nachteilen behafteten und in 1 gezeigten Kontaktelement 10 vorgestellt.
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So zeigt die 2 ein Kontaktelement 10 für einen Axialmagnetfeldkontakt eines Vakuumschalters 26, bei welchem die genannten Probleme vermieden werden können. Der Vakuumschalter 26 wird in 3 gezeigt. Das Kontaktelement 10 weist ein Kontaktscheibenelement 12 und ein Tassenelement 14 auf. Das Kontaktscheibenelement 12 und das Tassenelement 14 begrenzen einen Innenraum 16 und sind elektrisch leitend, insbesondere an der Grenzfläche 18, miteinander verbunden. Das Kontaktelement 10 weist eine in dem Innenraum 16 zwischen dem Kontaktscheibenelement 12 und dem Tassenelement 14 angeordnete Stützstruktur 20 auf, durch welche das Kontaktscheibenelement 12 im Bereich des Innenraums 16 an dem Tassenelement 14 abgestützt ist.
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Um nun während des Herstellens des Kontaktelements 10 den Montageaufwand besonders gering halten zu können und darüber hinaus während des Betriebs des Kontaktelements 10 eine besonders hohe Ausfallsicherheit aufgrund des mechanisch besonders stabilen Kontaktelements 10 zu erhalten, umfasst die Stützstruktur 20 ein Wabenstrukturelement 28. Das Wabenstrukturelement 28 füllt den Innenraum 16 zwischen dem Kontaktscheibenelement 12 und dem Tassenelement 14 zumindest teilweise aus. Dabei weist das Wabenstrukturelement 28 eine Wabenstruktur auf, welche aus einzelnen Waben 30 gebildet sein kann. Die Lichtbogenkontaktfläche 32 ist im Betrieb des Vakuumschalters 26 in Kontakt mit der Lichtbogenkontaktfläche 32 eines weiteren, insbesondere baugleichen, Kontaktelements 10. Das gezeigte Kontaktelement 10 kann sowohl als eine Komponente in einer Schalltechnik für die Mittelspannung, welche insbesondere in einem Spannungsbereich zwischen 1 kV und 50 kV auftritt, als auch für den Hochspannungsbereich, welcher oberhalb von 50 kV auftritt, verwendet werden.
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Das Kontaktelement 10 beziehungsweise der später in 3 gezeigte Vakuumschalter 26 ist insbesondere Teil eines Leistungsschalters, welcher in einem Stromnetz, innerhalb welchem er verwendet wird, alle auftretbaren Eventualitäten schalten können soll. Solch eine Eventualität können beispielsweise besonders geringe induktiven und/oder kapazitive Lastströme oder aber ein Kurzschlussstrom sein. Der Vakuumschalter 26 soll einen Stromkreis beziehungsweise den Stromkreis bei anstehender Spannung schließen können und darüber hinaus den Stromkreis bei fließendem Strom öffnen können.
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Vorteilhafterweise weist die Stützstruktur 20 in einem ersten Teilbereich 34 das erste Wabenstrukturelement 28 auf und in wenigstens einem weiteren Teilbereich 36 ein weiteres Wabenstrukturelement 38 auf. Dabei kann ein Übergang zwischen dem ersten Wabenstrukturelement 28 und dem weiteren Wabenstrukturelement 38 fließend sein. So kann beispielsweise die Größe der Waben 30 von dem Wabenstrukturelement 28 oder 38, welches die größeren Waben 30 aufweist, hin zu dem anderen Wabenstrukturelement 38 beziehungsweise 28, welches die kleineren Waben 30 aufweist, stetig beziehungsweise kontinuierlich um einen kleinen Betrag abnehmen beziehungsweise zunehmen. Dadurch kann beispielsweise die auf das Kontaktelement 10 wirkende Belastung besonders vorteilhaft verteilt werden. So ist beispielsweise eine Belastung aufgrund eines Verdrehens zwischen Kontaktscheibenelement 12 und Tassenelement 14, welches auch als Topf bezeichnet wird, aufgrund eines durch einen Stromfluss induzierten Magnetfelds besonders vorteilhaft durch die Stützstruktur 20 aufnehmbar.
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Darüber hinaus kann das Wabenstrukturelement 28 wenigstens eine, nicht gezeigte, Stützhülse oder einen, nicht gezeigten, Stützzylinder ausbilden, welche insbesondere entlang der Symmetrie beziehungsweise Rotationsachse 40 angeordnet ist.
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Das Wabenstrukturelement 28 beziehungsweise die Wabenstrukturelemente 28 und 38 können insbesondere mechanisch federn aufgebaut sein. Dadurch kann insbesondere bei einem Einschaltvorgang des Vakuumschalters 26, bei welchem ein Stauchungsvorgang bei den beiden aufeinanderprallenden Kontaktelementen 10 auftritt, kompensierbar sein.
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Die Stützstruktur 20 und somit das wenigstens eine Wabenstrukturelement 28, 38 sind in vorteilhafter Weise zumindest teilweise aus Metall, insbesondere aus Edelstahl, gebildet, wodurch eine besonders hohe mechanische Stabilität bei gleichzeitiger Hitze- und Strombeständigkeit der Stützstruktur 20 möglich ist. Alternativ oder zusätzlich könnte die Stützstruktur 20 beziehungsweise das Wabenstrukturelement 28 zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gebildet werden, wodurch beispielsweise Wirbelströme und/oder am Tassenelement 14 vorbei fließende elektrische Betriebs- oder Kurzschluss-Ströme in dem Wabenstrukturelement 28, 38 im Innenraum 16 des Kontaktelements 10 besonders gering gehalten werden können, wodurch eine Beeinflussung der Magnetfelder möglich ist, sodass wiederum eine Beeinflussung des Lichtbogens, insbesondere beim Ausschaltvorgang, gegeben ist.
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Vorteilhafterweise ist das Wabenstrukturelement 28, 38 additiv gefertigt, wodurch eine besonders hohe Vielfalt an möglichen Formen beziehungsweise Größen von Waben 30 möglich ist, wodurch die Wabenstruktur und somit das Wabenstrukturelement 28, 38 speziell für den jeweiligen Anwendungsfall, in welchen das jeweilige Kontaktelement 10 eingesetzt werden soll, abgestimmt werden kann. Gleichzeitig wird der Montage- und Herstellungsaufwand nochmals reduziert.
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Das Kontaktscheibenelement 12 ist vorzugsweise aus einer Kupfer-Chrom-Verbindung hergestellt und weist einen Durchmesser 42 auf, welcher zwischen 40 mm und 160 mm beträgt. Das Tassenelement 14 ist vorzugsweise aus reinem Kupfer gebildet, welches eine besonders gute Leitfähigkeit aufweist, wodurch beispielsweise ein Strompfadwiderstand besonders gering ausgebildet sein kann.
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Die gezeigte Grenzfläche 18 zwischen Tassenelement 14 und Kontaktscheibenelement 12 kann hartverlötet sein, um eine besonders hohe mechanische Stabilität des Kontaktelements 10 zu gewährleisten. Darüber hinaus kann beziehungsweise können in vorteilhafter Ausgestaltung des Kontaktelements 10 das Wabenstrukturelement 28, 38 mit dem Kontaktscheibenelement 12 und/oder mit dem Tassenelement 14 mittels Schweißen, insbesondere mittels Laserschweißen, verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Wabenstrukturelement 28, 38 mittels Löten, insbesondere mittels Hartlöten, mit dem Tassenelement 14 und/oder dem Kontaktscheibenelement 12 verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich ist das Wabenstrukturelement 28, 38 beziehungsweise die Stützstruktur 20 mit jeweils dem Kontaktscheibenelement 12 und/oder dem Tassenelement 14 verpresst. Somit besteht zwischen dem Wabenstrukturelement 28, 38 beziehungsweise der Stützstruktur 20 und dem Kontaktscheibenelement 12 und/oder dem Tassenelement 14 eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung. Diese sichert das Kontaktschaltelement 12 in Relation ortsfest zu dem Tassenelement 14 vor einem Aufdrillen, welches durch die Magnetfeldkräfte, welche in dem Kontaktelement 10 induziert werden, auftreten kann.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Vakuumschalters 26 mit einem Schaltergehäuse 44 mit einem evakuierten Innenbereich 46, welcher eine Schaltkammer bildet. In dem Innenbereich 46 befindet sich zumindest teilweise eine Festkontaktvorrichtung 48 sowie eine Bewegkontaktvorrichtung 50, welche jeweils ein Kontaktelement 10 aufweisen.
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Damit der Vakuumschalter 26 besonders einfach und kostengünstig montiert werden kann und gleichzeitig eine hohe mechanische Stabilität aufweist, wodurch er besonders langlebig ausbildbar ist und eine besonders hohe Anzahl an Schaltvorgängen durchführen kann, ist das jeweilige Kontaktelement 10 als ein in 2 gezeigtes Kontaktelement ausgebildet.
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In der 3 ist das jeweilige Kontaktelement 10 nicht geschnitten gezeigt, sodass die Azimutalschlitze 52 zu sehen sind, welche außenumfangsseitig azimutal gleichsinnig um das Kontaktelement 10 angeordnet sind, sodass dieses als Axialmagnetfeldkontakt 24 verwendbar ist. Die Festkontaktvorrichtung 48 sowie die Bewegkontaktvorrichtung 50 weisen jeweils an ihrem dem Innenraum 46 abgewandten Ende ein Anschlusselement 54 auf, an welchem ein stromführendes Element für das Stromnetz, welches durch den Vakuumschalter 26 geschaltet ist, anordenbar ist. Das Schaltergehäuse 44 weist vorzugsweise außenumfangsseitig eine Isolierung 56, welche insbesondere aus einer Keramik oder einem anderen, elektrisch nicht leitenden und vakuumdichten Werkstoff gebildet ist, auf. Damit das Kontaktelement 10 der Festkontaktvorrichtung 48 in Kontakt mit dem Kontaktelement 10 der Bewegkontaktvorrichtung 50 kommt, beziehungsweise die beide Lichtbogenkontaktflächen 32 in Kontakt kommen, kann die Bewegkontaktvorrichtung 50 innerhalb eines bestimmten Hubs verfahren beziehungsweise bewegt werden. Der Hub beträgt typischerweise zwischen 3 mm und 60 mm, in Abhängigkeit der durch den Vakuumschalter 26 zu schaltenden Spannung. Beispielsweise kann mittels eines Metallfaltenbalgs 58, beim Verfahren entlang einer Hubrichtung 60, das Vakuum, welches größenordnungsmäßig bis zu 10-9 bar erreichen kann, gehalten werden. Durch eine nichtgezeigte Spannvorrichtung kann die Bewegkontaktvorrichtung 50 entlang dieser Hubrichtung 60 verfahren werden, sodass die Lichtbogenkontaktflächen 32 der beiden Kontaktelemente 10 aneinander gepresst werden können, wodurch der Vakuumschalter 26 geschlossen wird.
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Dabei kann der gezeigte Vakuumschalter 26 beispielsweise Kurzschlussströme beziehungsweise Stromstärken von über beziehungsweise bis zu 63 Kiloampere schalten, wobei insbesondere der Vakuumschalter 26 zum Schalten von Wechselströmen ausgebildet ist, wodurch sich bei einem Nulldurchgang des Stromes der durch Metalldampf, welcher von dem Kontaktschaltelement 12 verdampft, gebildete Lichtbogen löscht. Mit dem gezeigten Vakuumschalter 26 sind Hubabstände, also der Abstand der beiden Lichtbogenkontaktflächen 32 zueinander, in einem Endabstand von den bereits erwähnten 3 mm bis 60 mm möglich, insbesondere sogar Endabstände zwischen 4 mm bis 40 mm.
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Aufgrund der für den Vakuumschalter 26 verwendeten Kontaktelementen 10 kann auf einen komplizierten Aufbau des Kontaktelements 10, wie in 1 zu sehen, verzichtet werden.
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Die Kontaktelemente 10 der 2 sowie der 3 kann insbesondere während eines Stauchungsvorgangs beim Einschaltvorgang das Kontaktelement 10 durch das Wabenstrukturelement 28, 38 mechanisch besonders stabilisiert werden. Gleichzeitig kann durch das Wabenstrukturelement 28, 38 ein Aufwölben des jeweiligen Kontaktscheibenelements 12, insbesondere an den jeweiligen Lichtbogenkontaktflächen 32, während des Ausschaltvorgangs verringert werden.
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Die Waben 30 können beispielsweise eine variable Wabengröße aufweisen, wie beispielsweise durch die unterschiedlichen Teilbereiche 36 und 34 gezeigt ist. Dabei sind, insbesondere durch die additive Fertigung, prinzipiell quasi beliebige Wabengeometrien und dazugehörige Verteilungen in der Stützstruktur 20 realisierbar. So kann je nach Geometrie der Waben 30 und ihrer Verteilung beispielsweise im Kernbereich, um die Rotationsachse 40 des Kontaktelements 10, beispielsweise eine federnde Wirkung erzielt werden, welche beim Einschaltvorgang die genannten Stauchungskräfte kompensiert. Darüber hinaus können insbesondere durch die dichteren Waben 30 des zweiten Teilbereichs 36 mit dem zweiten Wabenstrukturelement 38 die Kontaktflächen im Randbereich stabilisiert werden, sodass beispielsweise ein Verbiegen durch von dem Magnetfeld induzierte Kräfte vermieden werden kann. Darüber hinaus ist durch die Wabenstruktur die Beeinflussung von Wirbelströmen in dem Kontaktelement 10 möglich, sodass das durch den Stromfluss im Kontaktelement 10 erzeugte Magnetfeld zur Lichtbogensteuerung besonders positiv beeinflusst wird.
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Insbesondere ist durch das Wabenstrukturelement 28, 38 die Stützstruktur 20 einstückig ausbildbar, wodurch insbesondere während der Montage der Zeitaufwand reduziert werden kann. Darüber hinaus kann insbesondere durch die additive Fertigung des Wabenstrukturelements 28, 38 beziehungsweise der gesamten Stützstruktur 20, selbige besonders vorteilhaft und bedarfsgerecht ausgestaltet werden. Dadurch reduziert sich zusätzlich zu dem Fertigungsaufwand ein Wartungsaufwand des Vakuumschalters 26, da beispielsweise die Leistung des Vakuumschalters 26 gesteigert werden kann, wodurch gleichzeitig ein Verschleiß geringer wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kontaktelement
- 12
- Kontaktscheibenelement
- 14
- Tassenelement
- 16
- Innenraum
- 18
- Grenzfläche
- 20
- Stützstruktur
- 22
- Edelstahlbauteil
- 24
- Axialmagnetfeldkontakt
- 26
- Vakuumkontaktschalter
- 28
- Wabenstrukturelement
- 30
- Wabe
- 32
- Lichtbogenkontaktfläche
- 34
- erster Teilbereich
- 36
- weiterer Teilbereich
- 38
- weiteres Wabenstrukturelement
- 40
- Symmetrieachse
- 42
- Durchmesser
- 44
- Schaltergehäuse
- 46
- evakuierter Innenbereich
- 48
- Festkontaktvorrichtung
- 50
- Bewegkontaktvorrichtung
- 52
- Azimutalschlitz
- 54
- Anschlusselement
- 56
- Isolierung
- 58
- Metallfaltenbalg
- 60
- Hubrichtung
