DE102020210183A1

DE102020210183A1 - Hochspannungsleistungsschalter und Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters

Info

Publication number: DE102020210183A1
Application number: DE102020210183.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Bartz; Lukas Binner; Robert Grünler; Sebastian Hübner; Volker Lehmann; Sebastian Linke; Danijel Udovcic
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2022-02-17
Also published as: JP2023537075A; EP4169051A1; CN116034446A; WO2022033841A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsleistungsschalter (1) und ein Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters (1), mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre (2), welche durch wenigstens eine Halterung (3, 4) des Hochspannungsleistungsschalters (1) gelagert ist. Die wenigstens eine Vakuumschaltröhre (2) ist mit der wenigstens einen Halterung (3, 4) untrennbar verbunden. Die untrennbare Verbindung erfolgt über ein Zwischenstück (7), insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen gleicher Materialien und/oder Spreng- und/oder Walz-Plattieren unterschiedlicher Materialien.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsleistungsschalter und ein Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters, mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre, welche durch wenigstens eine Halterung des Hochspannungsleistungsschalters gelagert ist.
Hochspannungsleistungsschalter sind ausgebildet zum Schalten von Spannungen im Bereich von bis zu 1200 kV Spannung und im Bereich von bis zu einigen tausend Ampere Strom. Hochspannungsleistungsschalter umfassen z. B. ein Gehäuse mit wenigstens einem Schaltkontakt auf einem Träger. Das Gehäuse ist z. B. ein Isolator, insbesondere aus Keramik, Silikon und/oder Verbundwerkstoff, welcher z. B. in Form eines kreiszylinderförmigen Hohlkörpers ausgebildet ist, insbesondere mit schirmförmigen Rippen am äußeren Umfang zur Verlängerung von Kriechströmen. Im Unterschied zu Live-Tank Hochspannungsleistungsschaltern ist bei Dead-Tank Hochspannungsleistungsschaltern das Gehäuse geerdet, und z. B. aus einem hohlzylinderförmigen Metalltank hergestellt, in dessen Inneren wenigstens ein Schaltkontakt angeordnet ist.
Der Schaltkontakt umfasst wenigstens zwei Kontaktstücke, z. B. ein festes und ein bewegliches Kontaktstück, welche aus einem elektrisch leitenden Material sind, z. B. Stahl, Aluminium und/oder Kupfer. Alternativ oder zusätzlich umfasst ein Schaltkontakt z. B. wenigstens zwei bewegliche Kontaktstücke, wobei Ausführungsbeispiele mit zwei beweglichen Kontaktstücken analog einem festen und einem beweglichen Kontaktstück bezüglich der vorliegenden Erfindung sind, und im Weiteren der Einfachheit halber nicht weiter beschrieben werden. Die Kontaktstücke des Schaltkontakts sind im Hochspannungsleistungsschalter angeordnet bzw. von Halterungen gelagert, insbesondere beweglich oder fest gelagert, und vom Gehäuse insbesondere gasdicht umschlossen.
Das Gehäuse ist mit einem Isolier- bzw. Schaltgas, insbesondere SF₆ und/oder Clean Air, befüllt. Schaltkontakte umfassen z. B. Nennstrom- und/oder Lichtbogenkontaktstücke und werden durch das Schaltgas elektrisch von bestimmten Einrichtungen des Hochspannungsleistungsschalters, z. B. dem Antrieb, und der Umgebung isoliert. Schaltgase wie z. B. SF₆ sind klimaschädlich und/oder können giftige Komponenten enthalten. Um ein Entweichen von Schaltgasen aus dem Hochspannungsleistungsschalter zu verhindern, ist eine gasdichte, dauerhafte Abdichtung des Gehäuses notwendig, was komplex, aufwendig und kostenintensiv ist. Ebenfalls aufwendig und kostenintensiv ist am Ende eines Lebenszyklus eines Hochspannungsleistungsschalters die umweltgerechte Entsorgung insbesondere des Schaltgases. Eine umweltfreundliche Alternative ist die Verwendung von Vakuumöhren in klassischen, zuvor beschriebenen Gehäusen.
Die Verwendung klassischer Gehäuse, wie zuvor beschriebenen, ermöglicht einen einfachen, kostengünstigen Austausch von Hochspannungsleistungsschaltern im Netz und die einfache, kostengünstige Herstellung von Hochspannungsleistungsschaltern insbesondere in hohen Stückzahlen. Der Ersatz von umweltschädlichen Schaltgasen wie z. B. SF₆ durch umweltfreundliche Schaltgase wie z. B. Clean Air, d. h. trockener, gereinigter Luft, erfordert in klassischen Gehäusen zur Einhaltung von notwendigen Isolierabständen, den Ersatz von Nennstrom- und Lichtbogenkontakt-Systemen durch Vakuumschaltröhren.
Eine Vakuumschaltröhre ist im Inneren eines Gehäuses mechanisch stabil und elektrisch leitend zwischen wenigstens zwei äußeren elektrischen Anschlüssen angeordnet und geschaltet, wobei die elektrischen Anschlüsse z. B. in Form von Anschlussfahnen zum Anschluss von Hochspannungsleitungen, Stromerzeugern und/oder Stromverbrauchern ausgebildet sind.
Der Aufbau einer Vakuumschaltröhre für Hochspannungsleistungsschalter ist z. B. aus der EP 0 102 317 A2 bekannt. Die Vakuumschaltröhre umfasst ein Gehäuse in Form eines kreisrunden, geraden Zylinders, welcher im Inneren evakuiert ist. Das Gehäuse ist z. B. aus zwei gleichen, geraden zylinderförmigen Hälften aus Keramik bzw. Keramikteilen aufgebaut, welche über einen Metallzylinder bzw. über ein Metallteil mit Übergangsstücken in der Mitte des Gehäuses zusammengefügt sind. Die Übergangsstücke sind im Gehäuse als Schirmelektroden bzw. Abschirmung ausgeführt.
Die Vakuumschaltröhre umfasst zum Schalten wenigstens einen elektrischen Kontakt mit einem festen und einem beweglichen Kontaktstück. Die Kontaktstücke sind in der Vakuumschaltröhre tellerförmig ausgebildet und von Vakuum umschlossen. Nach au-ßen sind die Kontaktstücke bolzenförmig geführt und jeweils elektrisch mit einem äußeren elektrischen Anschluss z. B. in Form einer Anschlussfahne des Hochspannungsleistungsschalters verbunden. Das bewegliche Kontaktstück ist über einen Faltenbalg vakuumdicht in die Vakuumschaltröhre beweglich geführt und gelagert.
Beim Einschalten wird das bewegliche Kontaktstück auf das feste Kontaktstück zubewegt, bis ein mechanischer und ein elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktstücken besteht. Beim Ausschalten wird das bewegliche Kontaktstück vom festen Kontaktstück solange wegbewegt, bis der elektrische Kontakt zwischen den Kontaktstücken unterbrochen ist und ein ausreichender Abstand zur Vermeidung elektrischer Überschläge bei angelegter Spannung besteht. Bei hohen Spannungen sind große Abstände zwischen den Kontaktstücken notwendig. Die Vakuumschaltröhre ist lang ausgelegt, um ausreichende Abstände im Inneren zu gewährleisten. Die geraden zylinderförmigen Hälften aus Keramik bzw. Keramikteilen des Gehäuses der Vakuumschaltröhre sind z. B. aus mehreren Teilen aufgebaut, welche über Metallteile mit Übergangsstücken zusammengefügt sind. Die Übergangsstücke sind jeweils im Gehäuse als Schirmelektroden bzw. Abschirmung ausgeführt. Ein Verbinden von Keramikteilen des Gehäuses über Metallteile, welche z. B. aus Kupfer und/oder Stahl sind, erfolgt z. B. durch Verlöten.
Eine Kopplung der Kontaktstücke der Vakuumschaltröhre insbesondere an die Halterungen zum Lagern der Kontaktstücke, und somit an den Antrieb und/oder an feststehende, leitende Bauteile des Hochspannungsleistungsschalters, erfolgt durch Klemmverbindungen. Die Halterungen sind z. B. aus Aluminium und/oder Stahl. Aluminium weist eine geringe Masse auf, und ermöglicht mit geringem Energieaufwand eine Übertragung einer Beschleunigung des Antriebs auf das bewegliche Kontaktstück, und ermöglicht das feste Kontaktstück im Hochspannungsleistungsschalter mit geringem Gewicht der Halterung einfach und kostengünstig zu fixieren. Kontaktstücke der Vakuumschaltröhre sind für eine hohe Stromtragfähigkeit z. B. aus Kupfer. Die Verbindung der Kontaktstücke mit der jeweiligen Halterung wird insbesondere zwischen Aluminium und Kupferteilen durch die Klemmverbindung hergestellt. Die formschlüssige Klemmverbindung umfasst zwei elektrische Übergangsstellen, welche für eine erhöhte Erwärmung und für elektrische Verluste im Schalter sorgen. Bei sehr hohen Strömen von bis zu einigen tausend Ampere können sehr hohe elektrische Verluste auftreten und hohe Temperaturen im Schalter zu Beschädigungen und/oder Zerstörungen führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochspannungsleistungsschalter und ein Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters, insbesondere eines zuvor beschriebenen Hochspannungsleistungsschalters, anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme lösen. Insbesondere ist es Aufgabe, einen Hochspannungsleistungsschalter anzugeben, bei welchem wenigstens einer Vakuumschaltröhre mechanisch stabil angeordnet bzw. gelagert ist, mit geringen elektrischen Verlusten im eingeschalteten Zustand und mit wenig Wärmeentwicklung insbesondere bei hohen Strömen.
Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hochspannungsleistungsschalter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und/oder durch ein Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters, insbesondere eines zuvor beschriebenen Hochspannungsleistungsschalters, gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hochspannungsleistungsschalters und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters, insbesondere eines zuvor beschriebenen Hochspannungsleistungsschalters, sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei sind Gegenstände der Hauptansprüche untereinander und mit Merkmalen von Unteransprüchen sowie Merkmale der Unteransprüche untereinander kombinierbar.
Ein erfindungsgemäßer Hochspannungsleistungsschalter umfasst wenigstens eine Vakuumschaltröhre, welche durch wenigstens eine Halterung des Hochspannungsleistungsschalters gelagert ist. Die wenigstens eine Vakuumschaltröhre ist mit der wenigstens einen Halterung untrennbar verbunden.
Im Unterschied zu einer trennbaren bzw. wieder lösbaren Klemmverbindung und/oder Schraubverbindung, ermöglicht eine untrennbare Verbindung der wenigstens einen Vakuumschaltröhre mit der wenigstens einen Halterung eine hohe mechanische Stabilität, einen guten Stromfluss mit geringem Übergangswiderstand, wodurch insbesondere bei hohen Stromflüssen im Bereich von bis zu einigen tausend Ampere, geringere elektrische Verluste und eine geringere Wärmeentwicklung entstehen, mit geringeren Temperaturen im Vergleich zu Klemm- und/oder Schraubverbindungen. Eine Beschädigung und/oder eine Zerstörung des Hochspannungsleistungsschalters mit Vakuumschaltröhre kann so vermieden bzw. verhindert werden. Die untrennbare Verbindung ist einfach und kostengünstig herstellbar, und die hohe mechanische Stabilität führt zu hoher Haltbarkeit und Lebensdauer mit hoher Zuverlässigkeit des Hochspannungsleistungsschalters.
Die wenigstens eine Vakuumschaltröhre kann wenigstens ein festes und wenigstens ein bewegliches Kontaktstück umfassen, mit wenigstens einer Halterung auf einer Seite des wenigstens einen festen Kontaktstücks und mit wenigstens einer Halterung auf einer Seite des wenigstens einen beweglichen Kontaktstücks. Alternativ oder zusätzlich können zwei bewegliche Kontaktstücke umfasst sein. Eine untrennbare Verbindung des wenigstens einen festen und/oder des wenigstens einen beweglichen Kontaktstücks jeweils mit einer Halterung ermöglicht die zuvor beschriebenen Vorteile.
Die wenigstens eine Vakuumschaltröhre kann durch eine Schweißverbindung mit der wenigstens einen Halterung untrennbar verbunden sein, insbesondere durch eine elektronenstrahlgeschweißte Schweißverbindung. Schweißverbindungen, insbesondere Elektronenstrahlschweißverbindungen, weisen eine hohe mechanische Stabilität auf, sind einfach und kostengünstig herstellbar, und ermöglichen einen guten Stromfluss über die Schweißverbindung hinweg mit geringen elektrischen Verlusten und geringer Wärmeentwicklung insbesondere bei hohen Strömen.
Die wenigstens eine Vakuumschaltröhre kann mit der wenigstens einen Halterung jeweils durch ein Zwischenstück untrennbar verbunden sein. Ein Zwischenstück kann eine einfache, kostengünstige, mechanisch stabile Verbindung der Kontaktstücke der Vakuumschaltröhre mit den Halterungen, insbesondere mit geringem Übergangswiderstand, ermöglichen.
Das Zwischenstück kann wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Bereiche umfassen, insbesondere einen Bereich aus Kupfer und einen Bereich aus Aluminium, wobei die zwei Bereiche insbesondere stoffschlüssig, untrennbar miteinander verbunden sind, insbesondere verbunden durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren. Ein Zwischenstück mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften ermöglicht kostengünstig eine mechanisch stabile Verbindung der Kontaktstücke der Vakuumschaltröhre mit den Halterungen, insbesondere mit geringem Übergangswiderstand.
Insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren von zwei Bereichen, insbesondere einem Aluminium und einem Kupfer-Bereich, erzeugt ein Zwischenstück mit hoher mechanischer Stabilität und geringem elektrischen Widerstand.
Die wenigstens eine Vakuumschaltröhre, insbesondere das wenigstens eine feste- und das wenigstens eine bewegliche Kontaktstück der wenigstens einen Vakuumschaltröhre, können jeweils mit einem Zwischenstück verbunden sein, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen, und/oder das Zwischenstück kann zwei Bereiche unterschiedlicher Materialien umfassen, wobei die zwei Bereiche stoffschlüssig, untrennbar miteinander durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren verbunden sein können, und/oder das Zwischenstück kann jeweils mit wenigstens einer Halterung untrennbar verbunden sein, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen. Damit sind die zuvor beschriebenen Vorteile verbunden, insbesondere ein Hochspannungsleistungsschalter mit hoher Zuverlässigkeit und Haltbarkeit, bei geringen elektrischen Verlusten über den Hochspannungsleistungsschalter in einem eingeschalteten Zustand, mit geringer Wärmeentwicklung und damit geringer Gefahr einer Beschädigung und/oder Zerstörung des Hochspannungsleistungsschalters durch überschüssige Wärme, die nicht schnell genug an die Umwelt abgegeben werden kann.
Die wenigstens eine Vakuumschaltröhre, insbesondere das wenigstens eine feste- und das wenigstens eine bewegliche Kontaktstück der wenigstens einen Vakuumschaltröhre, können aus Kupfer bestehen und/oder Kupfer umfassen, und/oder das Zwischenstück kann einen Kupfer-Bereich umfassen, welcher mit dem Kupfer der Vakuumschaltröhre untrennbar, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen untrennbar verbunden sein kann, und/oder die Halterung kann jeweils aus Aluminium bestehen und/oder Aluminium umfassen, und/oder das Zwischenstück kann einen Aluminium-Bereich umfassen, welcher mit dem Aluminium der Halterung untrennbar, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen untrennbar verbunden sein kann. Eine stabile stoffschlüssige Verbindung zwischen Aluminium und Kupfer ist schwer herstellbar. Ein Zwischenstück mit zwei Bereichen, einem aus Aluminium und einem aus Kupfer, lässt sich leicht und kostengünstig durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren herstellen. Insbesondere ein Elektronenstrahlschweißen zwischen Aluminium und Aluminium sowie zwischen Kupfer und Kupfer ist einfach und kostengünstig möglich, ohne mechanische Belastungen wie z. B. durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren. Durch die Verwendung des insbesondere durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren hergestellten Zwischenstücks, ist ohne mechanische Belastung und Zerstörung der Vakuumschaltröhre und/oder der Halterung eine stoffschlüssige Verbindung von Vakuumschaltröhre und Halterung mit den zuvor beschriebenen Vorteilen einfach und kostengünstig möglich.
Der Hochspannungsleistungsschalter kann zum Schalten von Spannungen im Bereich von einigen Kilovolt bis zu einem Bereich von 1200 Kilovolt ausgebildet sein. Die zuvor beschriebenen Vorteile treten insbesondere bei Hochspannungsleistungsschaltern, welche ausgebildet sind zum Schalten der zuvor genannten Strom und/oder Spannungs-Bereiche, auf.
Der Hochspannungsleistungsschalter kann ein Schaltgas umfassen, insbesondere SF₆ und/oder Clean Air, und die Vakuumschaltröhre und/oder die wenigstens eine Halterung können von dem Schaltgas räumlich umfasst sein. Dadurch ist ein sicherer Betrieb der Vakuumschaltröhre in dem Hochspannungsleistungsschalter möglich, mit guter elektrischer Isolation gegenüber Teilen, welche insbesondere aus Sicherheitsgründen nicht zum Stromfluss vorgesehen sind.
Die wenigstens eine Halterung kann ausgebildet sein, die Vakuumschaltröhre in einem Gehäuse, insbesondere einem geschlossenem Isolator-Gehäuse, mechanisch stabil anzuordnen, insbesondere mit einer räumlich festen Halterung und/oder mit einer, insbesondere über einen Antrieb, beweglich antreibbaren Halterung. Damit sind die zuvor beschriebenen Vorteile für den Hochspannungsleistungsschalter verbunden, insbesondere eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters, insbesondere eines zuvor beschriebenen Hochspannungsleistungsschalters, umfasst wenigstens eine Vakuumschaltröhre, welche durch wenigstens eine Halterung gelagert wird, wobei die wenigstens eine Vakuumschaltröhre mit der wenigstens einen Halterung untrennbar verbunden wird, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen.
Die wenigstens eine Vakuumschaltröhre, insbesondere das wenigstens eine feste- und das wenigstens eine bewegliche Kontaktstück der wenigstens einen Vakuumschaltröhre, welche insbesondere Kupfer umfassen, können jeweils mit einem Zwischenstück verbunden werden, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen, und/oder das Zwischenstück kann zwei Bereiche unterschiedlicher Materialien umfassen, insbesondere Kupfer und Aluminium, wobei die zwei Bereiche stoffschlüssig, untrennbar miteinander durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren verbunden werden können, und/oder das Zwischenstück kann jeweils mit wenigstens einer Halterung, welche insbesondere Aluminium umfasst, untrennbar verbunden werden, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen.
Jeweils der Kupfer-Bereich des Zwischenstücks kann mit Kupfer des Kontaktstücks der Vakuumschaltröhre verbunden werden, und jeweils der Aluminium-Bereich des Zwischenstücks kann mit Aluminium der Halterung verbunden werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters, insbesondere eines zuvor beschriebenen Hochspannungsleistungsschalters, gemäß Anspruch 11 sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Hochspannungsleistungsschalters gemäß Anspruch 1 und umgekehrt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in den 1 bis 3 dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigt die

1 schematisch in Schnittansicht einen erfindungsgemäßen Hochspannungsleistungsschalter 1 von einer Seite betrachtet, mit einer Vakuumschaltröhre 2 von zwei Halterungen 3 und 4 gelagert, wobei Kontaktstücke der Vakuumschaltröhre 2 über Zwischenstücke 7 mit den Halterungen 3 und 4 jeweils verbunden sind, und
2 schematisch in vergrößerter Schnittansicht das Zwischenstück 7 zwischen dem festen Kontaktstück der Vakuumschaltröhre 2 und einer Halterung 3, und
3 schematisch in vergrößerter Schnittansicht das Zwischenstück 7 zwischen dem beweglichen Kontaktstück der Vakuumschaltröhre 2 und einer Halterung 4, welche eine bewegliche Kontaktscheibe 5 in einer festen Halterungshülse 6 aufweist.

In 1 ist schematisch in Schnittansicht ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Hochspannungsleistungsschalter 1 von einer Seite betrachtet dargestellt. Der Hochspannungsleistungsschalter 1 umfasst eine Vakuumschaltröhre 2 mit zwei Halterungen 3 und 4. Die Vakuumschaltröhre 2 ist z. B. zum Schalten von 35 kV und/oder bis zu 145 kV ausgelegt. Der Einfachheit halber sind die einzelnen Elemente bzw. Teile der Vakuumschaltröhre 2 in den Figuren nicht im Detail dargestellt. Die Vakuumschaltröhre 2 ist z. B. kreiszylinderförmig ausgebildet, mit elektrisch leitenden Kontaktstücken, insbesondere einem beweglichen und einem festen Kontaktstück z. B. aus Kupfer, welche aus einem keramischen, evakuierten Hohlisolator mit den Enden herausragen, wobei der Hohlisolator auf der Seite des beweglichen Kontaktstücks über einen Metall-Faltenbalg gasdicht abgedichtet ist und auf der Seite des festen Kontaktstücks über eine feste Metallscheibe bzw. einem festen Metalldeckel gasdicht abgedichtet ist. Die Vakuumschaltröhre umfasst weitere Elemente bzw. Teile wie z. B. Abschirmelektroden, auf die im Weiteren nicht im Detail eingegangen wird.
Das Ende des festen Kontaktstücks, welches in 1 ein Ende der Vakuumschaltröhre 2 auf der linken Seite bildet, ist mit einer räumlich festen Halterung 3 elektrisch leitend verbunden. In 2 ist die Verbindung vergrößert dargestellt. Die feste Halterung 3 ist z. B. Hohlrohrförmig ausgebildet, mit einem nach Außen geführten Befestigungsflansch an einem Ende und einer inneren Befestigungs-Platte bzw. -Scheibe, welche Lüftungsdurchbrüche aufweist, am anderen Ende. Die Halterung 3 ist z. B. aus Aluminium. Eine mechanisch stabile, elektrisch gut leitende Verbindung zwischen der Vakuumschaltröhre 2, d. h. dem Kontaktstück insbesondere aus Kupfer, und der Halterung 3, insbesondere aus Aluminium, ist über klassische, insbesondere formschlüssige Klemmverbindungen schwer herstellbar. Erfindungsgemäß wird eine mechanisch stabile, stoffschlüssige, elektrisch gut leitende Verbindung des Kontaktstücks der Vakuumschaltröhre 2 und der Halterung 3 durch eine permanente, d. h. untrennbare Verbindung hergestellt.
Untrennbar in diesem Zusammenhang bedeutet, dass die Verbindung ohne Materialzerstörung nicht gelöst wird, im Unterschied zu Schraub- und/oder Klemmverbindungen, die ohne permanente Materialzerstörung wiederholt hergestellt und gelöst werden können. Die stoffschlüssige, elektrisch gut leitende Verbindung des Kontaktstücks der Vakuumschaltröhre 2 mit der Halterung 3 erfolgt über ein Zwischenstück 7, welches z. B. durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren hergestellt ist. Dabei sind insbesondere zwei kreiszylinderförmige Scheiben, mit dem Durchmesser des Kupfer-Kontaktstücks der Vakuumschaltröhre 2 an einem Ende, und mit dem insbesondere gleichen Durchmesser einer Erhöhung auf der inneren Befestigungs-Platte bzw. - Scheibe, welche Lüftungsdurchbrüche aufweist, am Ende der Halterung 3, durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren zusammengefügt. Eine Scheibe ist z. B. aus Kupfer und eine Scheibe ist z. B. aus Aluminium. Somit weist das Zwischenstück 7, welches aus den zwei Scheiben zusammengefügt ist, eine Seite eines ersten Materials 8, insbesondere aus Kupfer auf, und eine Seite eines zweiten Materials 9, insbesondere aus Aluminium auf. Das Zwischenstück 7 weist somit zwei Bereiche 8 und 9 unterschiedlichen Materials auf, insbesondere Kupfer und Aluminium, welche z. B. durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren mechanisch stabil, gut elektrisch leitend, untrennbar miteinander zusammengefügt sind.
Die Seite des ersten Materials 8 bzw. der Bereich insbesondere aus Kupfer, ist z. B. durch Elektronenstrahlschweißen mit dem festen Kontaktstück der Vakuumschaltröhre 2 mechanisch stabil, gut elektrisch leitend, untrennbar verbunden. Die Seite des zweiten Materials 9 bzw. der Bereich insbesondere aus Aluminium, ist z. B. durch Elektronenstrahlschweißen mit der Halterung 3 mechanisch stabil, gut elektrisch leitend, untrennbar verbunden. Die Schweißverbindungen 10, insbesondere elektronenstrahlgeschweißte Verbindungen, sind mechanisch fest, stabil, permanent, d.h. untrennbar und weisen einen geringen Übergangswiderstand auf bzw. sind gut elektrisch leitend. Dadurch ist das feste Kontaktstück der Vakuumschaltröhre 2 mit der festen Halterung 3 mechanisch fest, stabil, permanent, d. h. untrennbar und elektrisch gut leitend verbunden, und bei großen Strömen, insbesondere im Bereich von einigen tausend Ampere, wird eine große Wärmeentwicklung bzw. ein starker Temperaturanstieg an der Verbindung vermieden, der zu einer Beschädigung und/oder einem Ausfall des Hochspannungsleistungsschalters 1 führen kann.
In 3 ist ein Ende des beweglichen Kontaktstücks der Vakuumschaltröhre 2 mit einer Halterung 4 dargestellt. Die Halterung 4 umfasst eine räumlich feste Halterungshülse 6, welche hohlrohrförmig ausgebildet ist, insbesondere mit einem Flansch nach Außen gezogen auf einer Seite, und der Vakuumschaltröhre in das Hohlrohr eingepasst eingeschoben, und z. B. über eine Dichtung gasdicht abgedichtet, mit dem Ende des beweglichen Kontaktstücks in das Hohlrohr ragend, auf der anderen Seite. Auf der Seite der Halterung 3 ist die Vakuumschaltröhre 2 analog, mit dem Ende des festen Kontaktstücks in die hohlrohrförmige Halterung 3 ragend, in das Hohlrohr eingepasst eingeschoben, und z. B. über eine Dichtung gasdicht abgedichtet, wie z. B. in 1 und vergrößert in 2 gezeigt ist. In 3 ist vergrößert die Halterung 4 mit eingepasster Vakuumschaltröhre 2 gezeigt, wobei die Halterung 4 neben der Halterungshülse 6 ein bewegliches Kontaktmittel 5, insbesondere eine Kontaktscheibe oder innere Kontakthülse umfasst, welches in der räumlich festen Halterungshülse 6 beweglich gelagert ist und z. B. mit einem Antrieb insbesondere über eine Antriebsstange verbunden ist, was der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt ist. Das bewegliche Kontaktmittel 5 ist über den Antrieb beim Schalten antreibbar, und gleitet insbesondere formschlüssig in der festen Halterungshülse 6 bei Bewegung. Somit ist die Halterung 4 über einen Antrieb beweglich antreibbar, d. h. das bewegliche Kontaktmittel 5 ist in der festen Halterungshülse 6 insbesondere über den Antrieb beim Schalten antreibbar.
Das Ende des beweglichen Kontaktstücks, welches in 1 ein Ende der Vakuumschaltröhre 2 auf der rechten Seite bildet, ist mit der Halterung 4, insbesondere mit dem beweglichen Kontaktmittel 5 elektrisch leitend verbunden. In 3 ist die Verbindung vergrößert dargestellt. Die Halterung 4 ist z. B. aus Aluminium, d.h. dass die feste Halterungshülse 6 und/oder dass das bewegliche Kontaktmittel 5 aus Aluminium sind. Eine mechanisch stabile, elektrisch gut leitende Verbindung zwischen der Vakuumschaltröhre 2, d. h. dem beweglichen Kontaktstück insbesondere aus Kupfer, und der Halterung 4, d. h. dem beweglichen Kontaktmittel 5, insbesondere aus Aluminium, ist über klassische, insbesondere formschlüssige Klemmverbindungen schwer herstellbar. Erfindungsgemäß wird eine mechanisch stabile, stoffschlüssige, elektrisch gut leitende Verbindung des Kontaktstücks der Vakuumschaltröhre 2 und der Halterung 4, insbesondere mit dem beweglichen Kontaktmittel 5, durch eine permanente, d. h. untrennbare Verbindung hergestellt.
Untrennbar bedeutet in diesem Zusammenhang ebenfalls wie zuvor beschrieben und wie im Weiteren verwendet, dass die Verbindung ohne Materialzerstörung nicht gelöst wird, im Unterschied zu Schraub- und/oder Klemmverbindungen, die ohne permanente Materialzerstörung wiederholt hergestellt und gelöst werden können. Die stoffschlüssige, elektrisch gut leitende Verbindung des Kontaktstücks der Vakuumschaltröhre 2 mit der Halterung 4, insbesondere mit dem beweglichen Kontaktmittel 5, erfolgt über ein Zwischenstück 7, welches z. B. durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren hergestellt ist. Dabei sind insbesondere zwei kreiszylinderförmige Scheiben, mit dem Durchmesser des Kupfer-Kontaktstücks der Vakuumschaltröhre 2 an einem Ende, und mit dem insbesondere gleichen Durchmesser einer Erhöhung auf dem beweglichen Kontaktmittel 5, insbesondere der Kontaktscheibe oder inneren Kontakthülse, durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren zusammengefügt. Eine Scheibe des Zwischenstücks 7 ist z. B. aus Kupfer und eine Scheibe des Zwischenstücks 7 ist z. B. aus Aluminium. Somit weist das Zwischenstück 7, welches aus den zwei Scheiben zusammengefügt ist, eine Seite eines ersten Materials 8, insbesondere aus Kupfer auf, und eine Seite eines zweiten Materials 9, insbesondere aus Aluminium auf. Das Zwischenstück 7 weist somit, wie zuvor für das Zwischenstück 7 der Halterung 3 beschrieben, zwei Bereiche 8 und 9 unterschiedlichen Materials auf, insbesondere Kupfer und Aluminium, welche z. B. durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren mechanisch stabil, gut elektrisch leitend, untrennbar miteinander zusammengefügt sind.
Die Seite des ersten Materials 8 bzw. der Bereich insbesondere aus Kupfer, ist z. B. durch Elektronenstrahlschweißen mit dem beweglichen Kontaktstück der Vakuumschaltröhre 2 mechanisch stabil, gut elektrisch leitend, untrennbar verbunden. Die Seite des zweiten Materials 9 bzw. der Bereich insbesondere aus Aluminium, ist z. B. durch Elektronenstrahlschweißen mit der Halterung 4, insbesondere dem beweglichen Kontaktmittel 5, mechanisch stabil, gut elektrisch leitend, untrennbar verbunden. Die Schweißverbindungen 10, insbesondere elektronenstrahlgeschweißte Verbindungen, sind mechanisch fest, stabil, permanent, d.h. untrennbar und weisen einen geringen Übergangswiderstand auf bzw. sind gut elektrisch leitend. Dadurch ist das bewegliche Kontaktstück der Vakuumschaltröhre 2 mit der beweglichen Halterung 4, insbesondere mit dem beweglichen Kontaktmittel 5, mechanisch fest, stabil, permanent, d.h. untrennbar und elektrisch gut leitend verbunden, und bei großen Strömen, insbesondere im Bereich von einigen tausend Ampere, wird eine große Wärmeentwicklung bzw. ein starker Temperaturanstieg an der Verbindung vermieden, der zu einer Beschädigung und/oder einem Ausfall des Hochspannungsleistungsschalters 1 führen kann.
Die Vakuumschaltröhre 2, insbesondere das feste- und das bewegliche Kontaktstück der Vakuumschaltröhre 2, welche z. B. aus Kupfer bestehen und/oder Kupfer umfassen, und das jeweilige Zwischenstück 7, welches z. B. einen Kupfer-Bereich umfasst, sind untrennbar, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen untrennbar verbunden, insbesondere über Bereiche gleichen Materials. Die Halterungen 2 und 3, welche aus Aluminium bestehen und/oder Aluminium umfassen, sind jeweils mit dem jeweiligen Zwischenstück 7, welches einen Aluminium-Bereich umfasst, untrennbar, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen untrennbar verbunden, insbesondere über Bereiche gleichen Materials. Die Bereiche 8 und 9 des jeweiligen Zwischenstücks 7 sind insbesondere durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren untrennbar miteinander verbunden, insbesondere durch Zusammenfügen von Bereichen unterschiedlichen Materials. Somit besteht eine untrennbare Verbindung der Vakuumschaltröhre 2, insbesondere des festen- und des beweglichen Kontaktstücks der Vakuumschaltröhre 2, mit der jeweiligen Halterung 3 und 4, über das jeweilige Zwischenstück 7, mit guten elektrischen Eigenschaften, d. h. einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, mit geringem elektrischen Widerstand. Eine gute elektrische Leitung über den Hochspannungsleistungsschalter 1 im geschlossenen Zustand wird so bewirkt, wobei die Gefahr der starken Erwärmung insbesondere an den Verbindungsstellen und die Gefahr einer Beschädigung und/oder Zerstörung durch übermäßige Wärmeentwicklung minimiert ist. Hohe mechanische Kräfte beim Schalten bzw. durch die Schaltbewegung werden durch die untrennbare, mechanisch feste, stabile mechanische Verbindung der Halterungen 3 und 4 mit der Vakuumschaltröhre 2 kompensiert und führen zu keiner Zerstörung des Hochspannungsleistungsschalters 1.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So kann z. B. der Hochspannungsleistungsschalter 1 ein Gehäuse aufweisen, welches der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt ist, welches mit einem Schaltgas, insbesondere SF₆ und/oder Clean Air befüllt ist. Das Gehäuse ist z. B. ein insbesondere gasdicht abgeschlossener Hohlisolator insbesondere mit Rippen am äußeren Umfang zur Reduzierung von Kriechströmen, aus Keramik, Silikon und/oder Kompositwerkstoffen. Oder das Gehäuse ist z. B. ein gasdicht abgeschlossener Metalltank, welcher elektrisch geerdet ist. Von den Halterungen sind z. B. Anschlussfahnen aus dem Gehäuse nach Außen geführt, zum elektrischen Anschluss des Hochspannungsleistungsschalters 1 an das elektrische Netz, insbesondere an Stromerzeuger und/oder Stromverbraucher und/oder Stromleitungen. Der Hochspannungsleistungsschalter 1 weist z. B. weiterhin einen Träger auf, zum Anordnen des Hochspannungsleistungsschalters 1 z. B. auf einem Fundament. Weiterhin weist der Hochspannungsleistungsschalter z. B. einen Antrieb, insbesondere einen Federspeicherantrieb auf, und Elemente einer kinematischen Kette, z. B. ein Getriebe und wenigstens eine Antriebstange, zum Antreiben des beweglichen Kontaktstücks beim Schalten.
Der Hochspannungsleistungsschalter 1 ist mit einem beweglichen und einem festen Kontaktstück ausgestattet, alternativ oder zusätzlich können weitere Kontaktstücke umfasst sein, und/oder wenigstens zwei bewegliche Kontaktstücke können umfasst sein. Die Kontaktstücke sind aus Kupfer. Zusätzlich oder alternativ können andere Materialien wie z. B. Stahl und/oder Aluminium umfasst sein, und das Zwischenstück 7 ein erstes Material auf der Seite 8 umfassen, welches z. B. ebenfalls Stahl und/oder Aluminium ist. Die Halterungen sind aus Aluminium. Zusätzlich oder alternativ können andere Materialien wie z. B. Stahl und/oder Kupfer umfasst sein, und das Zwischenstück 7 ein zweites Material auf der Seite 9 umfassen, welches z. B. ebenfalls Stahl und/oder Kupfer ist. Die zwei unterschiedlichen Materialien der Vakuumschaltröhre 2 und der Halterungen 3 und 4 werden untrennbar insbesondere über das Zwischenstück 7 zusammengefügt, welches aus zwei kreisrunden Scheiben aufgebaut ist. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Formen gewählt werden, z. B. Zylinder mit quadratischem Querschnitt und/oder Hohlkörper. Die zwei Materialien des Zwischenstücks 7 können zusammengefügt sein mit klar definiertem Trennbereich und/oder ineinander insbesondere kontinuierlich übergehen, z. B. durch Materialdiffusion der Materialien jeweils in das andere Material, z. B. nach einer Wärmebehandlung.
Bezugszeichenliste

1: Hochspannungsleistungsschalter
2: Vakuumschaltröhre
3: Halterung der festen Kontaktstückseite
4: Halterung der beweglichen Kontaktstückseite
5: bewegliches Kontaktmittel, insbesondere Kontaktscheibe
6: Halterungshülse
7: Zwischenstück
8: Seite des ersten Materials
9: Seite des zweiten Materials
10: Schweißverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0102317 A2 [0007]

Claims

Hochspannungsleistungsschalter (1) mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre (2), welche durch wenigstens eine Halterung (3, 4) des Hochspannungsleistungsschalters (1) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vakuumschaltröhre (2) mit der wenigstens einen Halterung (3, 4) untrennbar verbunden ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vakuumschaltröhre (2) wenigstens ein festes und wenigstens ein bewegliches Kontaktstück umfasst, mit wenigstens einer Halterung (3) auf einer Seite des wenigstens einen festen Kontaktstücks und mit wenigstens einer Halterung (4) auf einer Seite des wenigstens einen beweglichen Kontaktstücks.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vakuumschaltröhre (2) durch eine Schweißverbindung (10) mit der wenigstens einen Halterung (3, 4) untrennbar verbunden ist, insbesondere durch eine elektronenstrahlgeschweißte Schweißverbindung (10).
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vakuumschaltröhre (2) mit der wenigstens einen Halterung (3, 4) jeweils durch ein Zwischenstück (7) untrennbar verbunden ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (7) wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Bereiche umfasst, insbesondere einen Bereich aus Kuper und einen Bereich aus Aluminium, wobei die zwei Bereiche insbesondere stoffschlüssig, untrennbar miteinander verbunden sind, insbesondere verbunden durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vakuumschaltröhre (2), insbesondere das wenigstens eine feste- und das wenigstens eine bewegliche Kontaktstück der wenigstens einen Vakuumschaltröhre (2), jeweils mit einem Zwischenstück (7) verbunden sind, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen, und/oder dass das Zwischenstück (7) zwei Bereiche unterschiedlicher Materialien umfasst, wobei die zwei Bereiche stoffschlüssig, untrennbar miteinander durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren verbunden sind, und/oder dass das Zwischenstück (7) jeweils mit wenigstens einer Halterung (3, 4) untrennbar verbunden ist, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vakuumschaltröhre (2), insbesondere das wenigstens eine feste- und das wenigstens eine bewegliche Kontaktstück der wenigstens einen Vakuumschaltröhre (2), aus Kupfer bestehen und/oder Kupfer umfassen, und/oder dass das Zwischenstück (7) einen Kupfer-Bereich umfasst, welcher mit dem Kupfer der Vakuumschaltröhre (2) untrennbar, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen untrennbar verbunden ist, und/oder dass die Halterung (3, 4) jeweils aus Aluminium besteht und/oder Aluminium umfasst, und/oder dass das Zwischenstück (7) einen Aluminium-Bereich umfasst, welcher mit dem Aluminium der Halterung (3, 4) untrennbar, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen untrennbar verbunden ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsleistungsschalter (1) zum Schalten von Spannungen im Bereich von einigen Kilovolt bis zu einem Bereich von 1200 Kilovolt ausgebildet ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsleistungsschalter (1) ein Schaltgas umfasst, insbesondere SF₆ und/oder Clean Air, und die Vakuumschaltröhre (2) und/oder die wenigstens eine Halterung (3, 4) von dem Schaltgas räumlich umfasst sind.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Halterung (3, 4) ausgebildet ist, die Vakuumschaltröhre (2) in einem Gehäuse, insbesondere einem geschlossenem Isolator-Gehäuse, mechanisch stabil anzuordnen, insbesondere mit einer räumlich festen Halterung (3) und/oder mit einer, insbesondere über einen Antrieb, beweglich antreibbaren Halterung (4).
Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters (1), insbesondere eines Hochspannungsleistungsschalters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre (2), welche durch wenigstens eine Halterung (3, 4) gelagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vakuumschaltröhre (2) mit der wenigstens einen Halterung (3, 4) untrennbar verbunden wird, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vakuumschaltröhre (2), insbesondere das wenigstens eine feste- und das wenigstens eine bewegliche Kontaktstück der wenigstens einen Vakuumschaltröhre (2), welche insbesondere Kupfer umfassen, jeweils mit einem Zwischenstück (7) verbunden werden, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen, und/oder dass das Zwischenstück (7) zwei Bereiche unterschiedlicher Materialien umfasst, insbesondere Kupfer und Aluminium, wobei die zwei Bereiche stoffschlüssig, untrennbar miteinander durch Spreng- und/oder Walz-Plattieren verbunden werden, und/oder dass das Zwischenstück (7) jeweils mit wenigstens einer Halterung (3, 4), welche insbesondere Aluminium umfasst, untrennbar verbunden wird, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der Kupfer-Bereich des Zwischenstücks (7) mit Kupfer des Kontaktstücks der Vakuumschaltröhre (2) verbunden wird, und dass jeweils der Aluminium-Bereich des Zwischenstücks (7) mit Aluminium der Halterung (3, 4) verbunden wird.