DE102019215309A1

DE102019215309A1 - Leistungsschalter mit einer Vakuumschaltkammer

Info

Publication number: DE102019215309A1
Application number: DE102019215309.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Grützmacher; Thomas Krull
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2021-04-08
Also published as: EP4042463A1; WO2021069169A1; CN114503235A; BR112022005522A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter (1). Der Leistungsschalter (1) umfasst eine Vakuumschaltkammer (3), an sich gegenüberliegenden Seiten der Vakuumschaltkammer (3) angeordnete metallische Halterungen (5, 7), ein Gehäuse (9) mit einer Gehäusewand (25), die von Außenoberflächen (27 bis 29) der Vakuumschaltkammer (3) und der Halterungen (5, 7) beabstandet um diese Außenoberflächen (27 bis 29) herum angeordnet ist, eine an der Außenoberfläche (27) der Vakuumschaltkammer (3) und an Teilbereichen (28.1, 29.1) der Außenoberflächen (28, 29) beider Halterungen (5, 7) angeordnete Kunststoffhülle (11) und ein mit einem Isoliergas (33) befülltes Volumen (31) zwischen der Kunststoffhülle (11) und der Gehäusewand (25).

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter mit einer Vakuumschaltkammer. Unter einer Vakuumschaltkammer wird hier eine evakuierbare Vakuumröhre verstanden, in der Schaltvorgänge durchgeführt werden.
Bei derartigen Leistungsschaltern sind relativ zueinander bewegbare Schaltkontaktelemente in der Vakuumschaltkammer angeordnet, um einen Schaltlichtbogen beim Trennen der Schaltkontaktelemente zu vermeiden oder zu reduzieren. Die Schaltkammer wird häufig innerhalb eines Gehäuses in einem Isoliergas angeordnet, das zur Erhöhung seiner Durchschlagsfestigkeit durch einen hohen Druck komprimiert wird, um metallische Komponenten in dem Gehäuse in geringerem Abstand voneinander anordnen zu können und dadurch Bauraum einzusparen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Leistungsschalter mit einer Vakuumschaltkammer anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Leistungsschalter umfasst

- eine Vakuumschaltkammer,
- an sich gegenüberliegenden Seiten der Vakuumschaltkammer angeordnete metallische Halterungen,
- ein Gehäuse mit einer Gehäusewand, die von Außenoberflächen der Vakuumschaltkammer und der Halterungen beabstandet um diese Außenoberflächen herum angeordnet ist,
- eine an der Außenoberfläche der Vakuumschaltkammer und an Teilbereichen der Außenoberflächen beider Halterungen angeordnete Kunststoffhülle, und
- ein mit einem Isoliergas befülltes Volumen zwischen der Kunststoffhülle und der Gehäusewand. Die Gehäusewand ist beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem keramischen Material oder aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff, gefertigt.

Durch die Kunststoffhülle kann zum einen Isoliergas eingespart werden, indem die Kunststoffhülle die Funktion des Isoliergases unterstützt. Zum anderen kann durch eine Kunststoffhülle mit einer hohen Durchschlagsfestigkeit der Druck des Isoliergases gesenkt werden, so dass eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit des aus der Kunststoffhülle und dem Isoliergas bestehenden Systems auch mit reduziertem Druck realisiert werden kann. Dadurch kann auf die Verwendung von Druckbehälterteilen in der Unterbrechereinheit des Leistungsschalters verzichtet werden. Zusätzlich kann eine sonst notwendige Gasüberwachung entfallen beziehungsweise deutlich einfacher realisiert werden, da bei auftretenden Undichtigkeiten und einem daraus folgendem Abfall des Drucks keine sofortige Funktionssperre eintreten muss. Durch die Vereinfachung beziehungsweise den Wegfall von Bauteilen und Baugruppen sowie durch den Wegfall von aufwändigen Bauteilprüfungen ergeben sich zudem Kostenvorteile. Außerdem ergibt sich ein geringerer Wartungsaufwand. Ein wichtiger technischer Vorteil ist außerdem die Sicherstellung der momentanen Schaltfähigkeit des Leistungsschalters auch bei einem plötzlichen Druckabfall des Isoliergases.
Dementsprechend ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung die Kunststoffhülle aus einem Kunststoff gefertigt, der eine höhere Durchschlagsfestigkeit als das Isoliergas aufweist. Beispielsweise ist die Kunststoffhülle aus einem Silikon gefertigt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Isoliergas entfeuchtete Luft oder Kohlenstoffdioxid. Diese Isoliergase sind umweltverträglich, haben jedoch eine geringere Isolationswirkung als beispielsweise Schwefelhexafluorid. Die Kunststoffhülle ist daher insbesondere bei einer Verwendung dieser Isoliergase zur Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit vorteilhaft.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kunststoffhülle eine auf die Außenoberfläche der Vakuumschaltkammer und die Teilbereiche der Außenoberflächen der Halterungen gespritzte oder gegossene Kunststoffschicht. Dies ermöglicht vorteilhaft eine präzise Herstellung der Kunststoffhülle.
Bei einer zur vorgenannten Ausgestaltung alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Kunststoffhülle ein über die Außenoberfläche der Vakuumschaltkammer und die Teilbereiche der Außenoberflächen der Halterungen geschobener Kunststoffschlauch. Dies ermöglicht die Herstellung der Kunststoffhülle ohne ein Werkzeug zum Spritzen oder Gießen der Kunststoffhülle.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Kunststoffhülle eine variierende Dicke auf. Dadurch kann die die Dicke der Kunststoffhülle den lokalen Anforderungen an die Durchschlagsfestigkeit angepasst werden. Beispielsweise wird die Kunststoffhülle im Bereich von Kanten der Vakuumschaltkammer oder der Halterungen dicker als in anderen Bereichen ausgeführt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Leistungsschalter wenigstens ein Feldsteuerelement auf, das zwischen der Kunststoffhülle und der Außenoberfläche der Vakuumschaltkammer oder/und einem Teilbereich der Außenoberfläche einer Halterung angeordnet ist. Mit einem Feldsteuerelement wird ein Element bezeichnet, das die Feldstärke eines elektrischen Feldes lokal verändert. Durch Feldsteuerelemente können vorteilhaft insbesondere besonders große lokale elektrische Feldstärken vermieden werden.
Beispielsweise ist wenigstens ein Feldsteuerelement aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, beispielsweise aus einem rußgefüllten Silikonelastomer, gefertigt. Derartige Feldsteuerelemente können vorteilhaft, insbesondere zusammen mit einer als eine Kunststoffschicht ausgeführten Kunststoffhülle, durch Spritzen oder Gießen hergestellt werden. Im Fall, dass die Kunststoffhülle als ein Kunststoffschlauch ausgeführt ist, können die Feldsteuerelemente in den Kunststoffschlauch integriert sein.
Ferner ist vorzugsweise wenigstens ein Feldsteuerelement an einem Halterungsende einer Halterung angeordnet. Dadurch können vorteilhaft große lokale elektrische Feldstärken im Bereich des Halterungsendes vermieden werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ragt in jede Halterung ein Schaltkammerende der Vakuumschaltkammer hinein. Dadurch wird insbesondere die Fertigung der Kunststoffhülle in den Übergangsbereichen zwischen der Vakuumschaltkammer und den Halterungen vereinfacht.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leistungsschalters,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Leistungsschalters.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 (1) zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leistungsschalters 1 in einer Schnittdarstellung. Der Leistungsschalter 1 umfasst unter anderem eine Vakuumschaltkammer 3, röhrenartige metallische Halterungen 5, 7, ein Gehäuse 9 und eine Kunststoffhülle 11.
Die Halterungen 5, 7 sind an sich gegenüberliegenden Seiten der Vakuumschaltkammer 3 angeordnet und dienen insbesondere als Sockel für die Vakuumschaltkammer 3. In jede Halterung 5, 7 ragt ein metallisches Schaltkammerende 13, 15 der Vakuumschaltkammer 3 hinein. An einer ersten Halterung 5 ist ein erstes Schaltkontaktelement 17 angeordnet, das durch eine erste Schaltkammeröffnung in einem ersten Schaltkammerende 13 in die Vakuumschaltkammer 3 hineinragt. Durch eine zweite Schaltkammeröffnung in dem zweiten Schaltkammerende 15 ragt ein zweites Schaltkontaktelement 19 in die Vakuumschaltkammer 3 hinein, das durch einen nicht dargestellten Mechanismus relativ zu dem ersten Schaltkontaktelement 17 bewegbar ist. Die Schaltkontaktelemente 17, 19 umgebende Bereiche der Vakuumschaltkammer 3 weisen jeweils einen Isolationsabschnitt 21, 23 aus einem elektrisch isolierenden, beispielsweise keramischen Material auf. Die Isolationsabschnitte 21, 23 sind an sich gegenüberliegenden Seiten eines metallischen Mittelbereichs der Vakuumschaltkammer 3 angeordnet.
Das Gehäuse 9 umfasst eine Gehäusewand 25, die von einer Außenoberfläche 27 der Vakuumschaltkammer 3 und Außenoberflächen 28, 29 der Halterungen 5, 7 beabstandet um diese Außenoberflächen 27 bis 29 herum angeordnet ist. Die Gehäusewand 25 ist als ein Isolierrohr ausgeführt, das aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem keramischen Material oder aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff, gefertigt und zwischen Metallflanschen angeordnet ist. Der Leistungsschalter 1 ist somit in der so genannten Live Tank-Bauweise ausgeführt, im Unterschied zu der so genannten Dead Tank-Bauweise mit einem geerdeten metallischen Gehäuse.
Die Kunststoffhülle 11 ist an der Außenoberfläche 27 der Vakuumschaltkammer 3 und an Teilbereichen 28.1, 29.1 der Außenoberflächen 28, 29 beider Halterungen 5, 7 angeordnet. Ein Volumen 31 zwischen der Kunststoffhülle 11 und der Gehäusewand 25 ist mit einem Isoliergas 33, beispielsweise mit entfeuchteter Luft oder Kohlenstoffdioxid, befüllt.
Die Kunststoffhülle 11 ist aus einem Kunststoff gefertigt, der eine höhere Durchschlagsfestigkeit als das Isoliergas 33 aufweist. Beispielsweise ist die Kunststoffhülle 11 aus einem Silikon gefertigt.
Die Kunststoffhülle 11 weist eine variierende Dicke auf. Beispielsweise ist die Kunststoffhülle 11 in den Übergangsbereichen von der Außenoberfläche 27 der Vakuumschaltkammer 3 zu den Teilbereichen 28.1, 29.1 der Außenoberflächen 28, 29 der Halterungen 5, 7 jeweils dicker als in daran grenzenden Bereichen ausgebildet.
Die Kunststoffhülle 11 ist beispielsweise eine auf die Außenoberfläche 27 der Vakuumschaltkammer 3 und die Teilbereiche 28.1, 29.1 der Außenoberflächen 28, 29 der Halterungen 5, 7 gespritzte oder gegossene Kunststoffschicht. Alternativ ist die Kunststoffhülle 11 ein über die Außenoberfläche 27 der Vakuumschaltkammer 3 und die Teilbereiche 28.1, 29.1 der Au-ßenoberflächen 28, 29 der Halterungen 5, 7 geschobener Kunststoffschlauch.
2 (2) zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Leistungsschalters 1 in einer Schnittdarstellung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel nur durch ringförmige Feldsteuerelemente 35 bis 38, die im Fall der Feldsteuerelemente 36, 37 zwischen der Kunststoffhülle 11 und der Außenoberfläche 27 der Vakuumschaltkammer 3 beziehungsweise im Fall der Feldsteuerelemente 35, 38 zwischen der Kunststoffhülle 11 und der Außenoberfläche 27 der Vakuumschaltkammer 3 und einem Teilbereich 28.1, 29.1 der Außenoberfläche 28, 29 einer Halterung 5, 7 angeordnet sind.
Dabei ist ein erstes Feldsteuerelement 35 an einem der Vakuumschaltkammer 3 zugewandten Halterungsende 5.1 der ersten Halterung 5 angeordnet, ein zweites Feldsteuerelement 36 ist an einem von der ersten Halterung 5 abgewandten Ende eines ersten Isolationsabschnitts 21 angeordnet, ein drittes Feldsteuerelement 37 ist an einem von der zweiten Halterung 7 abgewandten Ende des zweiten Isolationsabschnitts 23 angeordnet und ein viertes Feldsteuerelement 38 ist an einem der Vakuumschaltkammer 3 zugewandten Halterungsende 7.1 der zweiten Halterung 7 angeordnet. Feldsteuerelemente 35 bis 38 können jedoch auch an anderen Bereichen der Außenoberflächen 27 bis 29 angeordnet sein.
Die Feldsteuerelemente 35 bis 38 sind beispielsweise jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, beispielsweise aus einem rußgefüllten Silikonelastomer, gefertigt. Im Fall, dass die Kunststoffhülle 11 ein Kunststoffschlauch ist, der über die Außenoberfläche 27 der Vakuumschaltkammer 3 und die Teilbereiche 28.1, 29.1 der Außenoberflächen 28, 29 der Halterungen 5, 7 geschoben wird, können die Feldsteuerelemente 35 bis 38 beispielsweise in den Kunststoffschlauch integriert sein.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Leistungsschalter (1), umfassend - eine Vakuumschaltkammer (3), - an sich gegenüberliegenden Seiten der Vakuumschaltkammer (3) angeordnete metallische Halterungen (5, 7), - ein Gehäuse (9) mit einer Gehäusewand (25), die von Außenoberflächen (27 bis 29) der Vakuumschaltkammer (3) und der Halterungen (5, 7) beabstandet um diese Außenoberflächen (27 bis 29) herum angeordnet ist, - eine an der Außenoberfläche (27) der Vakuumschaltkammer (3) und an Teilbereichen (28.1, 29.1) der Außenoberflächen (28, 29) beider Halterungen (5, 7) angeordnete Kunststoffhülle (11), und - ein mit einem Isoliergas (33) befülltes Volumen (31) zwischen der Kunststoffhülle (11) und der Gehäusewand (25).
Leistungsschalter (1) nach Anspruch 1, wobei die Kunststoffhülle (11) aus einem Kunststoff gefertigt ist, der eine höhere Durchschlagsfestigkeit als das Isoliergas (33) aufweist.
Leistungsschalter (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kunststoffhülle (11) aus einem Silikon gefertigt ist.
Leistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isoliergas (33) entfeuchtete Luft oder Kohlenstoffdioxid ist.
Leistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kunststoffhülle (11) eine auf die Außenoberfläche (27) der Vakuumschaltkammer (3) und die Teilbereiche (28.1, 29.1) der Außenoberflächen (28, 29) der Halterungen (5, 7) gespritzte oder gegossene Kunststoffschicht ist.
Leistungsschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kunststoffhülle (11) ein über die Außenoberfläche (27) der Vakuumschaltkammer (3) und die Teilbereiche (28.1, 29.1) der Außenoberflächen (28, 29) der Halterungen (5, 7) geschobener Kunststoffschlauch ist.
Leistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kunststoffhülle (11) eine variierende Dicke aufweist.
Leistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einem Feldsteuerelement (35 bis 38), das zwischen der Kunststoffhülle (11) und der Außenoberfläche (27) der Vakuumschaltkammer (3) oder/und einem Teilbereich (28.1, 29.1) der Außenoberfläche (28, 29) einer Halterung (5, 7) angeordnet ist.
Leistungsschalter (1) nach Anspruch 8, wobei wenigstens ein Feldsteuerelement (35 bis 38) aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff gefertigt ist.
Leistungsschalter (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei wenigstens ein Feldsteuerelement (35 bis 38) an einem Halterungsende (5.1, 7.1) einer Halterung (5, 7) angeordnet ist.
Leistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in jede Halterung (5, 7) ein Schaltkammerende (13, 15) der Vakuumschaltkammer (3) hineinragt.