DE102020211514B4

DE102020211514B4 - Hochspannungsleistungsschalter mit Schrumpfverbindung und Verfahren zum Herstellen des Hochspannungsleistungsschalters

Info

Publication number: DE102020211514B4
Application number: DE102020211514.1A
Authority: DE
Inventors: Robert Grünler; Stefan Klipstein
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2040-09-15
Also published as: JP2023541017A; EP4169049A1; CN116648767A; DE102020211514A1; WO2022053391A1

Abstract

Hochspannungsleistungsschalter (1) mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre (2), welche durch wenigstens eine Halterung (5, 6) des Hochspannungsleistungsschalters (1) gelagert ist, wobei die Vakuumschaltröhre (2) wenigstes zwei Kontaktstücke (3, 4) umfasst, welche mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) verbunden sind, und wobei wenigstens ein Kontaktstück (3, 4) mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) direkt durch eine Schrumpfverbindung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Kontaktstücke (3, 4) mit der wenigstens einen Halterung (5, 6), insbesondere jeweils mit einer Halterung (5, 6), jeweils über eine Schrumpfverbindung verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsleistungsschalter und ein Verfahren zum Herstellen des Hochspannungsleistungsschalters, mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre, welche durch wenigstens eine Halterung des Hochspannungsleistungsschalters gelagert ist, wobei die Vakuumschaltröhre wenigstes zwei Kontaktstücke umfasst, welche mit der wenigstens einen Halterung verbunden sind.
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 Vakuumröhren 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 und der DE 10 2008 059 670 B3 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 Klemmverbindung umfasst 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. Klemmverbindungen, z. B. über Schraubverbindungen zusammengepresst, sind lösbar und technisch aufwendig, womit eine hohe Fehlerrate und hohe Kosten verbunden sind.
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 eine Vakuumschaltröhre mechanisch stabil angeordnet bzw. gelagert ist, mit geringem Aufwand und geringer Fehleranfälligkeit, 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 13 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, wobei die Vakuumschaltröhre wenigstes zwei Kontaktstücke umfasst, welche mit der wenigstens einen Halterung verbunden sind. Wenigstens ein Kontaktstück ist mit der wenigstens einen Halterung direkt durch eine Schrumpfverbindung verbunden.
Eine Schrumpfverbindung ermöglicht eine mechanisch stabile, gut elektrisch leitende Verbindung des wenigstens einen Kontaktstücks mit der wenigstens einen Halterung, welche permanent, einfach und kostengünstig herstellbar ist. Ein geringer Übergangswiderstand über die Grenzflächen der Kontakthülse mit dem wenigstens einen Kontaktstück und der wenigstens einen Halterung ermöglicht einen Stromfluss, insbesondere im Bereich von bis zu einigen hundert Ampere, bei geringer Wärmeentwicklung insbesondere an der Verbindungsfläche und/oder dem Kontaktstück sowie der Halterung und deren Grenzflächen.
Klemmverbindungen über verschraubte Muffen, wie im Stand der Technik üblich, weisen mehr als eine Verbindungsfläche auf, mit hohem Übergangswiderstand und hohen Leistungsverlusten an den Verbindungsflächen, und sind mechanisch weniger stabil als Verbindungen durch Schrumpfung eines Elements auf ein anderes Element. Durch die Temperatur des vor der Schrumpfung erwärmten Elements bzw. Bauteils, können Diffusionsprozesse an der Verbindungsfläche, und über diese hinweg, zu einer direkten, untrennbaren Verbindung führen, mit guter elektrischer Leitfähigkeit und geringem Widerstand. Eine gute thermische Leitfähigkeit einer Schrumpfverbindung ermöglicht einen guten Abtransport überschüssiger Wärme aus der Vakuumschaltröhre insbesondere beim Schalten. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung bis hin zur Zerstörung des Hochspannungsleistungsschalters verringert und die Haltbarkeit erhöht.
Die wenigstens zwei Kontaktstücke sind mit der wenigstens einen Halterung, insbesondere jeweils mit einer Halterung, jeweils über eine Schrumpfverbindung verbunden. Dadurch kann eine elektrisch gut leitende Verbindung über den Hochspannungsleistungsschalter hinweg, insbesondere über beide Kontaktstücke und über die Halterung hinweg, im geschlossenen Zustand des Hochspannungsleistungsschalters erzeugt werden. Die Schrumpfverbindung ermöglicht eine hohe mechanische Stabilität und gute elektrische Eigenschaften, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
Die Schrumpfverbindung kann durch ein thermisches Schrumpfen bewirkt sein. Ein thermisches Schrumpfen ist einfach und kostengünstig durchführbar, durch Erhitzen wenigstens eines Elements bzw. Bauteils und darauffolgendes Abkühlen. Ein insbesondere kaltes bzw. auf Zimmertemperatur befindliches Bauteil kann in eine Öffnung des erwärmten Bauteils eingeführt werden, und bei Abkühlung des erwärmten Bauteils schrumpft die Dimension und damit die Öffnung des erwärmten Bauteils. Eine einfache, kostengünstige und mechanisch feste, gut leitende Verbindung kann derart zwischen dem abgekühlten und dem auf insbesondere Zimmertemperatur befindlichen Bauteil hergestellt werden. Analog ist eine Abkühlung eines Bauteils und darauffolgende Erwärmung des Bauteils, eingeführt z. B. in eine Öffnung eines Bauteils auf Zimmertemperatur, in der Wirkung sowie eine Kombination von Abkühlung eines Bauteils und Erwärmung des anderen Bauteils. Per Definition werden im weiteren auch derart hergestellte Verbindungen als Schrumpfverbindungen beschrieben.
Die Schrumpfverbindung kann ausgebildet sein, einen mechanisch stabilen direkten elektrischen Kontakt zwischen dem wenigstens einen Kontaktstück und der wenigstens einen Halterung herzustellen. Ein direkter Kontakt ermöglicht eine besonders hohe mechanische Stabilität und besonders gute elektrische Eigenschaften. Dadurch kann eine elektrisch gut leitende Verbindung über den Hochspannungsleistungsschalter hinweg, insbesondere über beide Kontaktstücke und über die Halterung hinweg, im geschlossenen Zustand des Hochspannungsleistungsschalters erzeugt werden, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
Die wenigstens eine Halterung kann auf das wenigstens eine Kontaktstück aufgeschrumpft sein. Dies ist vorteilhaft der Fall, wenn das Kontaktstück zumindest partiell, z. B. am Ende in seiner Dimension, z. B. dem Durchmesser, kleiner ist als die wenigstens eine Halterung, insbesondere mit einer Öffnung in der Halterung mit einer Dimension in der Größenordnung des Kontaktstücks in diesem Bereich.
Die wenigstens eine Halterung kann eine Öffnung, insbesondere eine mittige Öffnung, insbesondere in Form eines Kreiszylinders oder eines Kegelstumpfes, im Inneren aufweisen. Die Öffnung der wenigstens einen Halterung kann durchgehend ausgebildet sein. Das wenigstens eine Kontaktstück, welches mit der wenigstens einen Halterung verbunden ist, kann zumindest partiell die Form der Öffnung aufweisen. Das wenigstens eine Kontaktstück, welches mit der wenigstens einen Halterung verbunden ist, kann durch die Öffnung hindurchragend angeordnet sein. Dies ist technisch einfach ausführbar und ermöglicht die Verwendung z. B. langer Kontaktstücke insbesondere mit hohen Fertigungstoleranzen.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Öffnung der wenigstens einen Halterung auf einer Seite verschlossen sein. Das wenigstens eine Kontaktstück, welches mit der wenigstens einen Halterung verbunden sein kann, kann zumindest partiell die Form der Öffnung aufweisen. Das wenigstens eine Kontaktstück, welches mit der wenigstens einen Halterung verbunden sein kann, kann in die Öffnung hineinragend angeordnet sein. Dadurch ist eine mechanisch stabile Anordnung möglich, mit einer zusätzlichen Kontaktfläche für einen guten elektrischen und/oder thermischen Übergang, welche in der Verschlussfläche besteht.
Ein Kontaktstück kann ein bewegliches Kontaktstück sein, und eine Halterung kann eine Halterung eines beweglichen Kontaktstücks sein, welche eine feste Halterungshülse umfasst und ein in der Halterungshülse beweglich gelagertes Gleitstück umfasst, wobei das beweglich gelagerte Gleitstück auf dem beweglichen Kontaktstück aufgeschrumpft ist. Eine mechanisch stabile Verbindung des beweglichen Kontaktstücks mit dem Gleitstück ermöglicht ein zuverlässiges Schalten und schnelle Bewegungen ohne Zerstörung der Verbindung, und eine elektrisch und/oder thermisch gute Leitung insbesondere vom Kontaktstück über das Gleitstück und die Halterungshülse hinweg, insbesondere durch z. B. Federkontakte und/oder elektrische Gleitkontakte zwischen Gleitstück und Halterungshülse.
Das wenigstens eine Kontaktstück kann Kupfer umfassen und/oder aus Kupfer bestehen. Kupfer hat eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit, womit eine geringe Wärmeentwicklung bei hohen Stromflüssen verbunden ist, eine hohe thermische Leitfähigkeit und ist mechanisch stabil. Die wenigstens eine Halterung kann Aluminium umfassen und/oder aus Aluminium bestehen. Aluminium ist kostengünstig, leicht, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, hoher thermischer Leitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit, wobei die Leitfähigkeiten geringer als bei Kupfer sind. Insbesondere bei Halterungen für bewegliche Kontakte ermöglicht ein geringes Gewicht eine hohe Schaltgeschwindigkeit bei geringem Energieaufwand, insbesondere eines Gleitstücks der Halterung.
Das wenigstens eine Kontaktstück kann mit Silber beschichtet sein, insbesondere elektrochemisch abgeschieden. Die wenigstens eine Halterung kann mit Silber beschichtet sein, insbesondere elektrochemisch abgeschieden. Silberbeschichtungen ermöglichen einen guten elektrischen und/oder thermischen Kontakt und können bei Verwendung verschiedener Materialien, insbesondere bei Beschichtung beider Materialien mit insbesondere Silber, zu einem Bonding zwischen dem Kontaktstück und der Halterung führen, insbesondere bei Wärmebehandlungen. Dadurch bilden sich Verbindungen mit guten elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften heraus, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
Die Vakuumschaltröhre kann wenigstes ein festes und wenigstens ein bewegliches Kontaktstück umfassen, wobei das feste Kontaktstück mit einer festen Halterung durch Schrumpfen verbunden sein kann, und/oder wobei das bewegliche Kontaktstück mit einem beweglichen Gleitstück einer Halterung, welches beweglich in einer festen Halterungshülse der Halterung angeordnet sein kann, durch Schrumpfen verbunden sein kann. Dadurch ist ein mechanisch stabiler Hochspannungsleistungsschalter möglich, mit leicht beweglichen Kontaktstücken beim Schalten bei geringem Energieaufwand, mit guten elektrischen Eigenschaften, insbesondere einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und geringem Widerstand in eingeschaltetem Zustand über den Hochspannungsleistungsschalter hinweg.
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 wirken sich bei hohen Strömen und/oder hohen Spannungen besonders vorteilhaft aus.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters, insbesondere eines zuvor beschrieben Hochspannungsleistungsschalters, mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre, welche durch wenigstens eine Halterung des Hochspannungsleistungsschalters gelagert wird, wobei von der Vakuumschaltröhre wenigstes zwei Kontaktstücke umfasst werden, welche mit der wenigstens einen Halterung verbunden werden, umfasst, dass die Verbindung wenigstens eines Kontaktstücks mit der wenigstens einen Halterung insbesondere elektrisch gut leitend und mechanisch stabil direkt durch Aufschrumpfen erfolgt.
Das Aufschrumpfen kann durch thermische Abkühlung erfolgen, insbesondere einer erwärmten Halterung auf ein Kontaktstück, insbesondere ein Kontaktstück bei Raumtemperatur, und/oder eines erwärmten Kontaktstücks auf eine Halterung, insbesondere eine Halterung bei Raumtemperatur.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters, insbesondere eines zuvor beschriebenen Hochspannungsleistungsschalters, gemäß Anspruch 13 sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Hochspannungsleistungsschalters gemäß Anspruch 1 und umgekehrt.
Im Folgenden wird ein Hochspannungsleistungsschalter 1 nach dem Stand der Technik sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in den 1 bis 4 dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigt die

1 schematisch in Teilschnittansicht einen Ausschnitt aus einem Hochspannungsleistungsschalter 1 nach dem Stand der Technik von einer Seite betrachtet, mit einer Vakuumschaltröhre 2 an einer Halterung 3 durch Klemmen befestigt, und
2 schematisch in Schnittansicht einen erfindungsgemä-ßen Hochspannungsleistungsschalter 1 mit einer Vakuumschaltröhre 2, welche durch Halterungen (5, 6) über zwei Kontaktstücke (3, 4) der Vakuumschaltröhre 2 gelagert ist, wobei die Kontaktstücke (3, 4) mit der jeweiligen Halterung (5, 6) über eine Schrumpfverbindung verbunden sind, und
3 schematisch in Schnittansicht einen Ausschnitt aus dem Hochspannungsleistungsschalter 1 der 2, mit einem beweglichen Gleitstück 7, das über eine Schrumpfverbindung mit dem beweglichen Kontaktstück 4 verbunden ist, wobei das Kontaktstück 4 in einer einseitig geschlossenen Öffnung des Gleitstücks 7 angeordnet ist, und
4 schematisch in Schnittansicht einen Ausschnitt aus dem Hochspannungsleistungsschalter 1 analog der 3, mit einem beweglichen Kontaktstück 4, welches im Unterschied zur 3 in einer durchgehenden Öffnung des beweglichen Gleitstücks 7 angeordnet ist.

In 1 ist schematisch in Teilschnittansicht ein Ausschnitt aus einem Hochspannungsleistungsschalter 1 nach dem Stand der Technik von einer Seite betrachtet dargestellt. Der Hochspannungsleistungsschalter 1 umfasst eine Vakuumschaltröhre 2, welche an einer Halterung 6 durch wiederlösbares Klemmen über eine Schraubklemme befestigt ist. In der 1 ist eine Seite der Vakuumschaltröhre 2 mit einem beweglichen Kontaktstück 4, insbesondere aus Kupfer, und einer Halterung 6 des beweglichen Kontaktstücks 4, insbesondere aus Aluminium, z. B. mit Silber galvanisiert, dargestellt.
Die Halterung 6 ist in Form einer Klemmvorrichtung ausgebildet bzw. umfasst eine Klemmvorrichtung, welche ein zylinderförmiges Ende des Kontaktstücks 4 mechanisch durch wieder lösbares Einklemmen an der Halterung 6 befestigt, und eine elektrische Leitung zwischen dem Kontaktstück 4 und der Halterung 6 ermöglicht. Im ungeklemmten Zustand ist die Halterung auf einer Mantelfläche geöffnet bzw. mit einem Schlitz ausgebildet, wie in 1 durch fehlende Schraffierung der oberen Hälfte der Halterung 6 dargestellt ist. Zum Klemmen wird das z. B. kreiszylinderförmige Ende des Kontaktstücks 4 in eine Öffnung der Halterung 6 eingeführt. Durch Zusammendrücken der Halterung 6 am Schlitz, z. B. über eine Schraubverbindung in der Öffnung, welche in der 1 kreisförmig in der oberen Hälfte eingezeichnet ist, wird der Spalt geschlossen und das Kontaktstück 4 mechanisch stabil und elektrisch leitend von der wiederlösbaren Klemmvorrichtung eingeklemmt.
Die zuvor beschriebene Klemmverbindung ist lösbar und technisch aufwendig, womit eine hohe Fehlerrate und hohe Kosten verbunden sind. Eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen Halterung 6 und Kontaktstück 4 wird bei einer Klemmverbindung nicht flächig ausgebildet, da Unebenheiten und Lufteinschlüsse selbst bei hohen Klemmkräften eine flächige, formschlüssige Verbindung verhindern. Hohe Klemmkräfte, insbesondere ungleichmäßig verteilt, können zu Materialermüdung und/oder Bruch insbesondere der Halterung 6 führen, womit eine geringe Haltbarkeit und/oder Zuverlässigkeit des Hochspannungsleistungsschalters 1 verbunden ist.
In 2 ist schematisch in Schnittansicht ein erfindungsgemäßer Hochspannungsleistungsschalter 1 dargestellt. Der Hochspannungsleistungsschalter 1 umfasst eine Vakuumschaltröhre 2, welche durch Halterungen 5, 6 über zwei Kontaktstücke 3, 4 der Vakuumschaltröhre 2 gelagert ist. Die Kontaktstücke 3, 4 sind mit der jeweiligen Halterung 5, 6 direkt über eine Schrumpfverbindung verbunden. Eine Schrumpfverbindung wird ausgebildet, z. B. durch Aufschrumpfen der jeweiligen Halterung 5, 6 auf das jeweils zugeordnete Kontaktstück 3, 4. Die Halterung 5, 6 wird z. B. erwärmt und dehnt sich aus, und das Kontaktstück 3, 4 wird in eine Öffnung der Halterung 3, 4 eingeführt, insbesondere eingeschoben. Darauffolgend wird die Halterung 5, 6 abgekühlt bzw. kühlt sich ab, insbesondere auf Raumtemperatur. Bei Abkühlung schrumpft die Halterung 5, 6, und damit die Öffnung der Halterung 5, 6, und erzeugt eine Verbindung mit dem Kontaktstück 3, 4. Die Verbindung ist insbesondere formschlüssig und z. B. stoffschlüssig ausgebildet, insbesondere bei Diffusion von Halterungsmaterial und/oder Kontaktstückmaterial in das entsprechend andere Material, z. B. bei hohen Temperaturen während des Aufschrumpft-Prozesses. Hohe, gleichmäßig über die Verbindungsfläche wirkende Kräfte zwischen Halterung 5, 6 und Kontaktstück 3, 4, ermöglichen eine mechanisch feste, stabile, dauerhafte, nicht lösbare, insbesondere stoffschlüssige Verbindung, mit guten elektrischen Eigenschaften, d. h. geringem Übergangswiderstand über die Verbindung.
Gute elektrische Eigenschaften ermöglichen geringe elektrische Verluste über den Hochspannungsleistungsschalter 1, und geringe Wärmeentwicklung insbesondere bei hohen Strömen im Bereich von einigen Ampere bis hin zu einigen hundert Ampere. Geringe Wärmeentwicklung erhöht die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Hochspannungsleistungsschalters 1, und verringert die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen bis hin zu Zerstörungen des Hochspannungsleistungsschalters 1 durch hohe Temperaturen bzw. hohe Abwärme. Eine Schrumpfverbindung ist mechanisch stabil, dauerhaft, und insbesondere unlösbar sowie stoffschlüssig, womit eine hohe Zuverlässigkeit des Hochspannungsleistungsschalters 1 verbunden ist.
In 3 ist ein bewegliches Kontaktstück 4 der Vakuumschaltröhre 2 vergrößert dargestellt, verbunden mit einem beweglichen Gleitstück 7 der Halterung des beweglichen Kontaktstücks 4. Die Halterung 6 des beweglichen Kontaktstücks 4 umfasst eine feste Halterungshülse 8 bzw. einen Halterungsflansch, wie in 2 dargestellt ist, welcher z. B. an dem Gehäuse des Hochspannungsleistungsschalters 1 befestigt ist. Der Einfachheit halber ist in den Figuren das Gehäuse nicht dargestellt. In der festen Halterungshülse 8 ist ein bewegliches Gleitstück 7, z. B. in Form einer Gleitscheibe und/oder eines Gleitzylinders, angeordnet. Das bewegliche Kontaktstück 4 ist mechanisch fest und elektrisch leitend an dem beweglichen Gleitstück 7 direkt befestigt. Das bewegliche Gleitstück 7 ist beweglich in der festen Halterungshülse 8 angeordnet und elektrisch leitend mit der festen Halterungshülse 8 verbunden, z. B. über Gleitkontakte. Das bewegliche Kontaktstück 4 ist über das bewegliche Gleitstück 7, welches z. B. über einen Antrieb und/oder über Elemente einer kinematischen Kette bewegbar ist, insbesondere beim Schalten des Hochspannungsleistungsschalters 1 antreibbar. Elemente einer kinematischen Kette und ein Antrieb sind der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist ein Ende des beweglichen Kontaktstücks 4 zylinderförmig ausgebildet. Das bewegliche Gleitstück 7 ist z. B. in Form einer Gleitscheibe und/oder eines Gleitzylinders mit einer inneren Scheibe ausgebildet, und weist z. B. insbesondere mittig eine zylinderförmige Erhöhung auf. In der Erhöhung ist eine Ausnehmung ausgebildet, welche die Form des insbesondere zylinderförmigen Endes des beweglichen Kontaktstücks 4 aufweist. Die Ausnehmung ist geringfügig kleiner bzw. im Wesentlichen gleich groß ausgebildet wie das Ende des beweglichen Kontaktstücks 4. Bei Erwärmung des Gleitstücks 7 dehnt sich das Gleitstück 7 und damit die Ausnehmung aus, und das Ende des beweglichen Kontaktstücks 4 ist einführbar in die Ausnehmung. Bei Abkühlung des Gleitstücks 7 schrumpft die Ausnehmung und das Gleitstück 7 sitzt mechanisch fest auf dem Kontaktstück 4. Alternativ oder zusätzlich kann das Kontaktstück 4 abgekühlt werden und in die Ausnehmung eingeführt werden. Bei Erwärmung dehnt sich das Kontaktstück 4 aus und bildet eine feste mechanische Verbindung mit dem Gleitstück 7. Im Weiteren wird die zuvor beschriebene Alternative auch als Aufschrumpfen bezeichnet, und nur die erste Variante näher erläutert, wobei alle Varianten in Kombination umfasst sind.
In 3 ist die Ausnehmung im Gleitstück 7 topfförmig mit Boden ausgebildet. In 4 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, mit einer auf beiden Seiten offenen, rohrförmigen Ausnehmung. Dabei ist das Ende des Kontaktstücks 4 durch die Ausnehmung durchgesteckt, und ein Ende ragt aus der Ausnehmung auf der Seite, welche der Vakuumröhre 2 abgewandt ist, heraus. Das zuvor beschriebene Verfahren des Aufschrumpfens ist analog dem Beispiel der 3.
Analog den in den 3 und 4 dargestellten Beispielen kann das Ende des festen Kontaktstücks 3 mit der festen Halterung 5 verbunden sein. Dies ist der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt, da das Grundprinzip gleich dem Prinzip der 3 und 4 ist, und die Vorteile wie zuvor beschrieben sind. Kombinationen von mehr als zwei Halterungen 5, 6 und/oder mehr als einer beweglichen Halterung 6, sowie Kombinationen mit Befestigungen der Halterungen aus dem Stand der Technik, sind der Einfachheit halber ebenfalls nicht in den Figuren dargestellt.
Die Kontaktstücke 3, 4 sind aus einem gut elektrisch leitendem Material, z. B. aus Kupfer. Die Halterungen 5, 6, insbesondere das Gleitstück 7, sind z. B. aus Aluminium. Ein Aufschrumpfen stellt zwischen den zwei unterschiedlichen Materialien eine feste, elektrisch gut leitende Verbindung her. Alternativ können auch andere Materialien verwendet werden, z. B. können die Kontaktstücke 3, 4 und die Halterungen 5, 6, insbesondere das Gleitstück 7, aus dem gleichen Material, z. B. Kupfer oder Aluminium sein. Die Materialien können auch Stahl umfassen und/oder sein, oder z. B. Legierungen von Kupfer, Aluminium und/oder Stahl umfassen.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So können z. B. die Ausnehmung der Halterung 5, 6 und das Ende des Kontaktstücks 3, 4 kreiszylinderförmig, kegelstumpfförmig und/oder rechteckig, insbesondere würfelförmig sein. Kombinationen von Formen sind ebenfalls möglich. Es können eine oder mehrere Vakuumschaltröhren 2, z. B. in Reihe und/oder parallelgeschaltet, verwendet werden.
Eine 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.
Die Halterungen 5 und 6, bzw. Halterungshülse 8, sind z. B. Hohlrohrförmig ausgebildet, mit einem nach außen geführten Befestigungsflansch an einem Ende. Alternativ können die Halterungen ein integraler Bestandteil der Gehäuse des Hochspannungsleistungsschalters 1 sein. Die Halterung 6, mit einer räumlich festen Halterungshülse 8 und einem beweglichen Gleitstück 7, und die Halterung 5, sind z. B. hohlrohrförmig ausgebildet, mit der Vakuumschaltröhre 2 in das Hohlrohr eingepasst eingeschoben, und z. B. über eine Dichtung gasdicht abgedichtet. Das bewegliche Gleitstück 7 ist z. B. über den Antrieb beim Schalten antreibbar, und gleitet insbesondere formschlüssig in der festen Halterungshülse 8 bei Bewegung. Somit ist die Halterung 6 über einen Antrieb beweglich antreibbar, d. h. das bewegliche Gleitstück 7 ist in der festen Halterungshülse 8 insbesondere über den Antrieb beim Schalten antreibbar.
Der Hochspannungsleistungsschalter 1 kann ein Gehäuse aufweisen, 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 umfasst weiterhin z. B. einen Träger, insbesondere zum Anordnen des Hochspannungsleistungsschalters 1 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. Eine mechanisch stabile, elektrisch gut leitende Verbindung zwischen der Vakuumschaltröhre 2, mit Kontaktstücken 3 und 4 aus insbesondere Kupfer, und der Halterung 5 und 6, d. h. dem beweglichen Gleitstück 7, insbesondere aus Aluminium, ist über klassische, insbesondere formschlüssige Klemmverbindungen schwer herstellbar. Die Verwendung der erfindungsgemäßen direkten Schrumpfverbindung zwischen Kontaktstück 3, 4 und Halterung 5, 6, insbesondere Gleitstück 7, ermöglicht einen Übergang bzw. Kontakt zwischen den Kontaktstücken 3, 4 der Vakuumschaltröhre 2 und der Halterung 5 und 6, bzw. dem beweglichen Gleitstück 7, der mechanisch stabil ist, insbesondere bei schnellen Antriebsbewegungen, und elektrisch gut leitend, ohne große Wärmeentwicklung. Eine gute thermische Leitfähigkeit ermöglicht u.a. einen guten Abtransport von Abwärme aus der Vakuumschaltröhre 2. Die Gefahr einer Beschädigung und/oder Zerstörung der Vakuumschaltröhre 2 wird dadurch vermindert und/oder ausgeschlossen.
Bezugszeichen:

1: Hochspannungsleistungsschalter
2: Vakuumschaltröhre
3: Festes Kontaktstück
4: Bewegliches Kontaktstück
5: Halterung des festen Kontaktstücks
6: Halterung des beweglichen Kontaktstücks
7: Bewegliches Gleitstück
8: Feste Halterungshülse

Claims

Hochspannungsleistungsschalter (1) mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre (2), welche durch wenigstens eine Halterung (5, 6) des Hochspannungsleistungsschalters (1) gelagert ist, wobei die Vakuumschaltröhre (2) wenigstes zwei Kontaktstücke (3, 4) umfasst, welche mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) verbunden sind, und wobei wenigstens ein Kontaktstück (3, 4) mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) direkt durch eine Schrumpfverbindung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Kontaktstücke (3, 4) mit der wenigstens einen Halterung (5, 6), insbesondere jeweils mit einer Halterung (5, 6), jeweils über eine Schrumpfverbindung verbunden sind.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrumpfverbindung durch ein thermisches Schrumpfen bewirkt ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrumpfverbindung ausgebildet ist, einen mechanisch stabilen direkten elektrischen Kontakt zwischen dem wenigstens einen Kontaktstück (3, 4) und der wenigstens einen Halterung (5, 6) herzustellen.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Halterung (5, 6) auf das wenigstens eine Kontaktstück (3, 4) aufgeschrumpft ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Halterung (5, 6) eine Öffnung, insbesondere eine mittige Öffnung, insbesondere in Form eines Kreiszylinders oder eines Kegelstumpfes, im Inneren aufweist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung der wenigstens einen Halterung (5, 6) durchgehend ausgebildet ist, und/oder dass das wenigstens eine Kontaktstück (3, 4), welches mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) verbunden ist, zumindest partiell die Form der Öffnung aufweist, und/oder dass das wenigstens eine Kontaktstück (3, 4), welches mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) verbunden ist, durch die Öffnung hindurchragend angeordnet ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung der wenigstens einen Halterung (5, 6) auf einer Seite verschlossen ist, und/oder dass das wenigstens eine Kontaktstück (3, 4), welches mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) verbunden ist, zumindest partiell die Form der Öffnung aufweist, und/oder dass das wenigstens eine Kontaktstück (3, 4), welches mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) verbunden ist, in die Öffnung hineinragend angeordnet ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktstück (4) ein bewegliches Kontaktstück ist, und eine Halterung (6) eine Halterung eines beweglichen Kontaktstücks (4) ist, welche eine feste Halterungshülse (8) umfasst und ein in der Halterungshülse (8) beweglich gelagertes Gleitstück (7) umfasst, wobei das beweglich gelagerte Gleitstück (7) auf dem beweglichen Kontaktstück (4) aufgeschrumpft ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kontaktstück (3, 4) Kupfer umfasst und/oder aus Kupfer besteht, und/oder dass die wenigstens eine Halterung (5, 6) Aluminium umfasst und/oder aus Aluminium besteht.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kontaktstück (3, 4) mit Silber beschichtet ist, insbesondere elektrochemisch abgeschieden, und/oder dass die wenigstens eine Halterung (5, 6) mit Silber beschichtet ist, insbesondere elektrochemisch abgeschieden.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltröhre (2) wenigstes ein festes (3) und wenigstens ein bewegliches (4) Kontaktstück umfasst, wobei das feste Kontaktstück (3) mit einer festen Halterung (5) durch Schrumpfen verbunden ist, und/oder wobei das bewegliche Kontaktstück (4) mit einem beweglichen Gleitstück (7) einer Halterung (6), welches beweglich in einer festen Halterungshülse (8) der Halterung (6) angeordnet ist, durch Schrumpfen 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.
Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre (2), welche durch wenigstens eine Halterung (5, 6) des Hochspannungsleistungsschalters (1) gelagert wird, wobei von der Vakuumschaltröhre (2) wenigstes zwei Kontaktstücke (3, 4) umfasst werden, welche mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung wenigstens eines Kontaktstücks (3, 4) mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) insbesondere elektrisch gut leitend und mechanisch stabil direkt durch Aufschrumpfen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschrumpfen durch thermische Abkühlung erfolgt, insbesondere einer erwärmten Halterung (5, 6) auf ein Kontaktstück (3, 4), insbesondere ein Kontaktstück (3, 4) bei Raumtemperatur, und/oder eines erwärmten Kontaktstücks (3, 4) auf eine Halterung (5, 6), insbesondere eine Halterung (5, 6) bei Raumtemperatur.