DE102020211516A1

DE102020211516A1 - Hochspannungsleistungsschalter mit Kontakthülse und Verfahren zum Herstellen des Hochspannungsleistungsschalters

Info

Publication number: DE102020211516A1
Application number: DE102020211516.8A
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: 2022-03-17
Also published as: CN116057659A; WO2022053410A1; JP2023541016A; EP4173017A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsleistungsschalter (1) und ein Verfahren zum Herstellen des Hochspannungsleistungsschalters (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. Wenigstens ein Kontaktstück (3, 4) ist mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) über eine Kontakthülse (9) verbunden.

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 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 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. Klemmverbindungen weisen weiterhin eine geringe mechanische Stabilität auf.
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 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 15 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 über eine Kontakthülse verbunden ist.
Eine Kontakthülse ermöglicht eine mechanisch stabile, gut elektrisch leitende Verbindung des wenigstens einen Kontaktstücks mit der wenigstens einen Halterung. 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 tausend Ampere, bei geringer Wärmeentwicklung insbesondere an der Kontakthülse und/oder dem Kontaktstück sowie der Halterung und deren Grenzflächen.
Die wenigstens zwei Kontaktstücke können mit der wenigstens einen Halterung, insbesondere jeweils mit einer Halterung, jeweils über eine Kontakthülse verbunden sein. 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 Kontakthülsen ermöglichen eine hohe mechanische Stabilität und gute elektrische Eigenschaften, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
Die Kontakthülse 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, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
Die Kontakthülse kann mit der wenigstens einen Halterung durch eine Schweißverbindung, insbesondere eine elektronenstrahlgeschweißte Schweißverbindung, verbunden sein. Schweißverbindungen, insbesondere Elektronenstrahl geschweißte Verbindungen, 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 Kontakthülse kann auf das wenigstens eine Kontaktstück aufgebracht sein, insbesondere aufgespritzt und/oder aufgedruckt und/oder aufgesputtert und/oder elektrochemisch aufgebracht sein. Die Kontakthülse kann formschlüssig aufgebracht sein. Somit ist eine hohe mechanische Festigkeit der Verbindung von Kontakthülse und Kontaktstück gegeben, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bzw. geringem Übergangswiderstand über die Verbindung. Ein kostengünstiges Aufbringen, mit hoher Festigkeit der Kontakthülse und guten elektrischen Eigenschaften ist dadurch möglich, wobei unterschiedliche Formen der Kontakthülse einfach und kostengünstig ausführbar sind.
Eine Verbindung der Kontakthülse mit dem Kontaktstück ohne Einschlüsse z. B. von Luft ist möglich, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Aufspritzen ist dabei besonders kostengünstig, aufdrucken ermöglicht eine Vielzahl von Formen, insbesondere bei 3D-Druck, aufsputtern ergibt Kontakthülsen mit hoher Festigkeit und guten elektrischen Eigenschaften, elektrochemische Abscheidung ist sehr kostengünstig, mit guten elektrischen Eigenschaften der Kontakthülsen und hoher Festigkeit, und Kombinationen der Verfahren können Kontakthülsen mit genau definierten Eigenschaften ergeben, sowie bestimmte, gewünschte und/oder definierte Eigenschaften bei geeigneten Materialien ergeben.
Die Kontakthülse kann auf das wenigstens eine Kontaktstück aufgeschrumpft sein. Die Kontakthülse kann formschlüssig aufgeschrumpft sein. Aufschrumpfen ist ein einfacher, kostengünstiger und schneller Prozess, welcher die Verwendung vorgefertigten Kontakthülsen geeigneter Materialien erlaubt, welche insbesondere eine hohe mechanische Stabilität bei geringem elektrischem Widerstand ermöglichen. Ein formschlüssiges Aufschrumpfen hat die zuvor für ein formschlüssiges Aufbringen beschriebenen Vorteile.
Die Kontakthülse kann auf das wenigstens eine Kontaktstück aufgeschraubt sein. Schraubverbindungen sind wieder lösbar, bei hoher mechanischer Stabilität. Eine große Kontaktfläche kann auch bei Schraubverbindungen eine gute elektrische Leitfähigkeit ergeben, womit eine geringe Wärmeentwicklung bei hohen Strömen verbunden ist.
Die Kontakthülse kann Aluminium umfassen und/oder aus Aluminium bestehen. Aluminium ist kostengünstig, leicht, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit. Insbesondere bei beweglichen Kontakten ermöglicht ein geringes Gewicht eine hohe Schaltgeschwindigkeit bei geringem Energieaufwand. 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, und ist mechanisch stabil. Die wenigstens eine Halterung kann Aluminium umfassen und/oder aus Aluminium bestehen, womit die zuvor für die Kontakthülse beschriebenen Vorteile verbunden sind.
Die Kontakthülse kann die Form eines hohlen Kreiszylinders aufweisen, insbesondere eines geraden Kreiszylinders. Kreiszylinder sind einfach herstellbar, weisen eine hohe Stabilität auf und eine große Mantelfläche, welche als Kontaktfläche dienen kann, womit geringe Stromverluste und eine geringe Wärmeentwicklung bei hohen Strömen verbunden sind.
Die Kontakthülse kann die Form eines hohlen Kegelstumpfs aufweisen, insbesondere eines geraden Kegelstumpfs. Damit ist eine größere Fläche verglichen mit kreiszylinderförmigen Kontakthülsen verbunden, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Insbesondere eine äußere Form eines Kreiszylinders und eine innere Form eines Kegelstumpfs ermöglicht eine Kontakthülse, mit großer Kontaktfläche zum Kontaktstück und einfacher Herstellung und Anschlussmöglichkeit, z. B. durch Schweißen, an die Halterung.
Die Kontakthülse kann rohrförmig ausgebildet sein, insbesondere mit einer durchgehenden Öffnung. Dadurch ist die Kontakthülse einfach und schnell auf das Kontaktstück aufbringbar, mit hoher mechanischer Stabilität und großer Kontaktfläche, insbesondere mittels Schrumpfmethoden.
Die Kontakthülse kann rohrförmig ausgebildet sein, mit einer offenen und einer geschlossenen bzw. verschlossenen Seite des Rohres, wobei die geschlossene Seite des Rohres insbesondere in Form eines flachen Bodens ausgebildet ist. Über den flachen Boden kann die Kontakthülse an die Halterung angebracht werden, insbesondere flächig geschweißt und/oder gelötet, mit hoher mechanischer Stabilität und guten elektrischen Eigenschaften.
Die Vakuumschaltröhre kann wenigstes ein festes und wenigstens ein bewegliches Kontaktstück umfassen, wobei das feste Kontaktstück mit einer festen Halterung insbesondere über eine Kontakthülse verbunden sein kann, und/oder wobei das bewegliche Kontaktstück insbesondere über eine Kontakthülse mit einem beweglichen Gleitstück einer Halterung, welches beweglich in einer festen Halterungshülse der Halterung angeordnet sein kann, verbunden sein kann. Dadurch ist ein mechanisch stabiler Hochspannungsleistungsschalter möglich, mit leicht beweglichen Kontaktstücken beim Schalten, bei geringem Gewicht und Energieaufwand, mit guten elektrischen Eigenschaften, insbesondere einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und geringem elektrischen 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 beschriebenen Hochspannungsleistungsschalters, mit wenigstens eine 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 über eine Kontakthülse erfolgt, insbesondere über eine Kontakthülse mit einer Schweißverbindung zwischen Kontakthülse und der wenigstens einen Halterung, und/oder über eine Kontakthülse, welche durch Aufspritzen, Aufdrucken, Aufsputtern, elektrochemisches Aufbringen, Aufschrauben und/oder Aufschrumpfen auf das wenigstens eine Kontaktstück mit dem wenigstens einen Kontaktstück verbunden wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Hochspannungsleistungsschalters, insbesondere eines zuvor beschriebenen Hochspannungsleistungsschalters, gemäß Anspruch 15 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 10 dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigen 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 Halterungen 3 durch Klemmen befestigt, und
2 schematisch in Schnittansicht einen erfindungsgemäßen 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 kreiszylinderförmige Kontakthülse 9 verbunden sind, und
3 schematisch in Schnittansicht einen Ausschnitt aus dem Hochspannungsleistungsschalter 1 der 2, mit einer Halterung 5 des festen Kontaktstücks 3, welche eine feste Halterungshülse 8 aufweist, die über eine Kontakthülse 9 mit dem festen Kontaktstück 3 verbunden ist, und
4 schematisch in Schnittansicht einen Ausschnitt aus dem Hochspannungsleistungsschalter 1 der 2, mit einer Halterung 6 des beweglichen Kontaktstücks 4, welche ein bewegliches Gleitstück 7 aufweist, das über eine Kontakthülse 9 mit dem beweglichen Kontaktstück 4 verbunden ist, und
5 schematisch in Schnittansicht einen erfindungsgemäßen 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 im Inneren kegelstumpfförmige Kontakthülse 9 verbunden sind, und
6 schematisch in Schnittansicht einen Ausschnitt aus dem Hochspannungsleistungsschalter 1 der 5, mit einer Halterung 5 des festen Kontaktstücks 3, welche eine feste Halterungshülse 8 aufweist, die über eine Kontakthülse 9 mit dem festen Kontaktstück 3 verbunden ist, und
7 schematisch in Schnittansicht einen Ausschnitt aus dem Hochspannungsleistungsschalter 1 der 5, mit einer Halterung 6 des beweglichen Kontaktstücks 4, welche ein bewegliches Gleitstück 7 aufweist, das über eine Kontakthülse 9 mit dem beweglichen Kontaktstück 4 verbunden ist, und
8 schematisch in Schnittansicht einen erfindungsgemäßen 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 kreiszylinderförmige Kontakthülse 9 durch Verschraubung verbunden sind, und
9 schematisch in Schnittansicht einen Ausschnitt aus dem Hochspannungsleistungsschalter 1 der 8, mit einer Halterung 5 des festen Kontaktstücks 3, welche eine feste Halterungshülse 8 aufweist, die über eine Kontakthülse 9 mit dem festen Kontaktstück 3 verbunden ist, und
10 schematisch in Schnittansicht einen Ausschnitt aus dem Hochspannungsleistungsschalter 1 der 8, mit einer Halterung 6 des beweglichen Kontaktstücks 4, welche ein bewegliches Gleitstück 7 aufweist, das über eine Kontakthülse 9 mit dem beweglichen Kontaktstück 4 verbunden 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 Halterungen 3 durch Klemmen 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 Einklemmen an der Halterung 6 befestigt und eine elektrische Leitung bzw. Stromleitung zwischen dem Kontaktstück 4 und der Halterung 6 ermöglicht. Im ungeklemmten Zustand ist die Halterung auf einer Mantelfläche geöffnet bzw. mit einem Schlitz ausgebildet. Zum Klemmen wird das z. B. kreiszylinderförmige Ende des Kontaktstücks 4 in eine Öffnung der Halterung 6 eingeführt. Durch Zusammendrücken der Halterung 6, z. B. über eine Schraubverbindung in der in 1 oben eingezeichneten Öffnung, wird der Spalt geschlossen und das Kontaktstück 4 mechanisch stabil und elektrisch leitend geklemmt.
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 über eine insbesondere kreiszylinderförmige Kontakthülse 9 verbunden. In 3 ist ein festes Kontaktstück 3 der Vakuumschaltröhre 2 vergrößert dargestellt, verbunden mit einer Halterung 5 des festen Kontaktstücks 3. Die Halterung 5 ist z. B. als Flansch ausgebildet, welcher an einem Gehäuse des Hochspannungsleistungsschalters 1 befestigt ist. Der Einfachheit halber ist in den Figuren das Gehäuse nicht dargestellt.
In 4 ist ein bewegliches Kontaktstück 4 der Vakuumschaltröhre 2 vergrößert dargestellt, verbunden mit einer Halterung 6 des beweglichen Kontaktstücks 4. Die Halterung 6 des beweglichen Kontaktstücks 4 umfasst eine feste Halterungshülse 8 bzw. einen Halterungsflansch, welcher z. B. an dem Gehäuse des Hochspannungsleistungsschalters 1 befestigt ist. 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 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.
Die Kontaktstücke 3 und 4 sind jeweils mit einer insbesondere hohlzylinderförmigen Kontakthülse 9 versehen, welche auf einer Zylinderseite insbesondere mit einem scheibenförmigen Zylinder-Boden verschlossen ist. Die Kontakthülse 9 weist z. B. innen und außen eine Kreiszylinderform auf, deren innere Form gleich der äußeren Form ist, nur verkleinert, und wobei die innere Form gleich der Form des jeweiligen Endes des Kontaktstücks 3 bzw. 4 ist. Auf der Seite des scheibenförmigen Zylinder-Bodens der Kontakthülse 9 ist die Halterung 5, 6 an der Kontakthülse 9 befestigt, z. B. durch Schweißen, insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen.
Auf der Seite des festen Kontaktstücks 3 ist die Halterung 5 in Form einer Hülse bzw. eines hohlen Kreiszylinders und/oder Rohres, insbesondere mit einem Flansch auf einer der Vakuumschaltröhre 2 abgewandten Seite, ausgebildet, wobei im Inneren eine Scheibenform ausgebildet ist, z. B. mit Lüftungslöchern, welche Mittig eine zylinderförmige Erhöhung aufweist. Die Kontakthülse 9 ist an der Erhöhung der Halterung 5 insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen befestigt. Die Halterung 5 und die Kontakthülse 9 sind z. B. aus dem gleichen Material, insbesondere Aluminium und/oder umfassen Aluminium, insbesondere Aluminium-Legierungen. Die Kontakthülse 9 ist formschlüssig auf dem Ende des festen Kontaktstücks 3 angeordnet. Die Kontakthülse 9 ist z. B. aufgeschrumpft, aufgespritzt, aufgedruckt, aufgesputtert, und/oder elektrochemisch aufgebracht.
Die z. B. durch Aufschrumpfen, Aufspritzen, Aufdrucken, Aufsputtern, und/oder durch elektrochemisches Aufbringen auf dem festen Kontaktstück 3 mechanisch fest und gut elektrisch sowie thermisch leitend befestigte Kontakthülse 9, welche insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen an der Halterung 5 des festen Kontaktstücks 3 mechanisch fest und gut elektrisch sowie thermisch leitend befestigt ist, ermöglicht einen guten elektrischen und thermischen Kontakt zwischen der Halterung 5 und der Vakuumschaltröhre 2. Dadurch entstehen auch bei großen Strömen, insbesondere im Bereich von einigen bis hin zu einigen hundert Ampere, keine großen elektrischen Verluste und Temperaturen durch Wärmeentwicklung an dem Kontakt. Hohe Temperaturen bzw. große Wärmeentwicklung insbesondere durch einen großen Übergangswiderstand an dem Kontakt, können zu einer Beschädigung bis hin zu einer Zerstörung des Kontakts, und damit des Hochspannungsleistungsschalters 1 führen.
Auf der Seite des beweglichen Kontaktstücks 4, wie es in der 4 dargestellt ist, ist die Halterung in Form einer festen Halterungshülse bzw. eines hohlen Kreiszylinders und/oder Rohres, insbesondere mit einem Flansch auf einer der Vakuumschaltröhre 2 abgewandten Seite, ausgebildet. In der festen Halterungshülse 8 ist das bewegliche Gleitstück 7 wie zuvor beschrieben angeordnet und beweglich gelagert. Das Gleitstück 7 wird z. B. durch einen Antrieb und/oder Elemente einer kinematischen Kette, insbesondere beim Schalten des Hochspannungsleistungsschalters 1 bewegt, was der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt ist. Das Gleitstück 7, z. B. in Form einer Gleitscheibe und/oder eines Gleitzylinders mit einer inneren Scheibe, weist insbesondere mittig eine zylinderförmige Erhöhung aufweist. Die Kontakthülse 9 ist an der Erhöhung des Gleitstücks 7 insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen befestigt.
Die Halterungshülse 8 und/oder das Gleitstück 7 sowie die Kontakthülse 9 sind z. B. aus dem gleichen Material, insbesondere Aluminium und/oder umfassen Aluminium, insbesondere Aluminium-Legierungen. Die Kontakthülse 9 ist formschlüssig auf dem Ende des beweglichen Kontaktstücks 4 angeordnet. Die Kontakthülse 9 ist z. B. aufgeschrumpft, aufgespritzt, aufgedruckt, aufgesputtert, und/oder elektrochemisch aufgebracht.
Die z. B. durch Aufschrumpfen, Aufspritzen, Aufdrucken, Aufsputtern, und/oder durch elektrochemisches Aufbringen auf dem beweglichen Kontaktstück 4 mechanisch fest und gut elektrisch sowie thermisch leitend befestigte Kontakthülse 9, welche insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen an der Halterung 6 des beweglichen Kontaktstücks 4 bzw. dem Gleitstück 7 mechanisch fest und gut elektrisch sowie thermisch leitend befestigt ist, ermöglicht einen guten elektrischen und thermischen Kontakt zwischen der Halterung 6 und der Vakuumschaltröhre 2. Dadurch entstehen auch bei großen Strömen, insbesondere im Bereich von einigen bis hin zu einigen hundert Ampere, keine großen elektrischen Verluste und Temperaturen durch Wärmeentwicklung an dem Kontakt, wie zuvor beschrieben für den Kontakt des festen Kontaktstücks 3 mit der Halterung 5, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
Die 5 bis 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochspannungsleistungsschalters 1. Der Hochspannungsleistungsschalter 1 ist analog dem Hochspannungsleistungsschalter der 2 bis 4, wobei die Kontakthülse 9 im Inneren, und die Enden der Kontaktstücke 3 und 4, statt einer Kreiszylinderform die Form eines Kegelstumpfes aufweisen. Dadurch ist die Kontaktfläche zwischen der Kontakthülse 9 und den jeweiligen Kontaktstücken 3 und 4 vergrößert gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 2 bis 4. Eine vergrößerte Kontaktfläche verringert den Übergangswiderstand und somit die elektrischen Verluste und Wärmeentwicklung, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
Die 8 bis 10 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochspannungsleistungsschalters 1. Der Hochspannungsleistungsschalter 1 ist analog den Hochspannungsleistungsschaltern der 2 bis 4 und 5 bis 7, wobei die jeweilige Kontakthülse 9 und das Ende des jeweiligen Kontaktstücks 3, 4 durch Schraubverbindungen miteinander verbunden sind. Kontakthülsen 9 sind auf die jeweiligen Enden der Kontaktstücke 3 und 4 aufgeschraubt. Die Enden der Kontaktstücke 3 und 4 sind dazu schraubenförmig ausgebildet, und die Kontakthülsen 9 weisen ein insbesondere formschlüssiges Gewinde im Inneren auf. Die Kontakthülsen 9 können in einem ersten Schritt an den Halterungen 5 und 6, bzw. an dem beweglichen Gleitstück 7, befestigt werden, z. B. durch Schweißen, insbesondere Elektronenstrahlschweißen. In einem zweiten Schritt können die Kontaktstücke 3 und 4 auf die jeweiligen Halterungen 5 und 6, bzw. an das bewegliche Gleitstück 7, geschraubt werden, ohne durch hohe Temperaturen, welche z. B. beim Schweißen entstehen, die Vakuumschaltröhre 2 zu beschädigen bzw. zu zerstören.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So kann z. B. die Kontakthülse 9 schraubenförmig ausgebildet sein, und in die Kontaktstücke 3 und 4 jeweils eingeschraubt werden. Kombinationen von Formen und Verbindungen sind ebenfalls möglich. Statt Schweißverbindungen können z. B. Lötverbindungen verwendet werden. 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 des Gehäuses 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 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. Die Kontakthülse ist aus Aluminium. Zusätzlich oder alternativ können andere Materialien wie z. B. Kupfer und/oder Stahl umfasst sein. Die Halterungen sind aus Aluminium. Zusätzlich oder alternativ können andere Materialien wie z. B. Stahl und/oder Kupfer 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, bzw. dem beweglichen Gleitstück 7 der Halterung 6, insbesondere aus Aluminium, ist über klassische, insbesondere Klemmverbindungen schwer herstellbar. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Kontakthülse 9 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 ist, 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.
Bezugszeichenliste

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
9: Kontakthülse
10: Schweißverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0102317 A2 [0006]

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, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kontaktstück (3, 4) mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) über eine Kontakthülse (9) verbunden ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach Anspruch 1, 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 Kontakthülse (9) verbunden sind.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthülse (3, 4) 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 Kontakthülse (9) mit der wenigstens einen Halterung (5, 6) durch eine Schweißverbindung (10), insbesondere eine elektronenstrahlgeschweißte Schweißverbindung, verbunden ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthülse (9) auf das wenigstens eine Kontaktstück (3, 4) aufgebracht, insbesondere aufgespritzt und/oder aufgedruckt und/oder aufgesputtert und/oder elektrochemisch aufgebracht ist, insbesondere formschlüssig aufgebracht ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthülse (9) auf das wenigstens eine Kontaktstück (3, 4) aufgeschrumpft ist, insbesondere formschlüssig aufgeschrumpft ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthülse (9) auf das wenigstens eine Kontaktstück (3, 4) aufgeschraubt ist.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthülse (9) Aluminium umfasst und/oder aus Aluminium besteht, und/oder 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 die Kontakthülse (9) die Form eines hohlen Kreiszylinders aufweist, insbesondere eines geraden Kreiszylinders.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthülse (9) die Form eines hohlen Kegelstumpfs aufweist, insbesondere eines geraden Kegelstumpfs.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthülse (9) rohrförmig ausgebildet ist, insbesondere mit einer durchgehenden Öffnung.
Hochspannungsleistungsschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthülse (9) rohrförmig ausgebildet ist, mit einer offenen und einer geschlossenen Seite des Rohres, wobei die geschlossene Seite des Rohres insbesondere in Form eines flachen Bodens ausgebildet ist.
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) insbesondere über eine Kontakthülse (9) verbunden ist, und/oder wobei das bewegliche Kontaktstück (4) insbesondere über eine Kontakthülse (9) mit einem beweglichen Gleitstück (7) einer Halterung (6), welches beweglich in einer festen Halterungshülse (8) der Halterung (6) angeordnet ist, 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), insbesondere 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 über eine Kontakthülse (9) erfolgt, insbesondere über eine Kontakthülse (9) mit einer Schweißverbindung (10) zwischen Kontakthülse (9) und der wenigstens einen Halterung (5, 6), und/oder über eine Kontakthülse (9), welche durch Aufspritzen, Aufdrucken, Aufsputtern, elektrochemisches Aufbringen, Aufschrauben und/oder Aufschrumpfen auf das wenigstens eine Kontaktstück (3, 4) mit dem wenigstens einen Kontaktstück (3, 4) verbunden wird.