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Die
Erfindung betrifft eine Schaltanlage zum Unterbrechen eines elektrischen
Stromes, insbesondere im Mittelspannungsbereich, mit in einem Gasraum
angeordneten parallel zueinander ausgerichteten und eine Schalteranordnung
ausbildenden Vakuumschaltröhren,
die zur Erzeugung eines Magnetfeldes eingerichtet sind, wobei aus
einem ferromagnetischen Material bestehende Feldsteuerelemente vorgesehen
sind, die zumindest eine der Vakuumschaltröhren gegenüber dem Einfluss von Fremdmagnetfeldern
abschirmen, die von anderen Vakuumschaltröhren erzeugt sind.
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Eine
solche Schaltanlage ist aus der
DE 195 18 533 A1 bereits bekannt. Die dort
offenbarte Vakuumschaltanordnung ist zur Schaltung von mehrphasigen
Netzen eingerichtet, wobei jeder Phase des mehrphasigen Netzes eine
Schaltröhre
zugeordnet ist. Zum Abschirmen äußerer Magnetfelder
verfügt jede
Schaltröhre über einen
hohlzylindrischen Eisenkörper,
welcher die Kontaktanordnung jeder Schaltröhre konzentrisch umgibt. Der
vorbekannten Schaltanlage haftet der Nachteil an, dass der Schalter
mit seinen Schalterpolen zusammen mit dem hohlzylindrischen Eisenkörper konzipiert
werden muss. Darüber
hinaus ist der Eisenkörper
auch zwischen den Schalterpolen angeordnet, so dass es zu einer
Verstärkung
der Magnetfelder kommen kann.
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Die
DE 34 44 003 A1 beschreibt
eine Vakuumschaltröhre,
die von einer Drossel aus einem ferromagnetischen Material umschlossen
ist.
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Die
DE 31 00 707 C3 offenbart
eine Abschirmung zum Abschirmen von Anlagen gegenüber äußeren parasitären Magnetfeldern.
Die Abschirmung besteht aus einem Eisenkern, der aus einem ferromagnetischen
Blech zusammengesetzt ist. Der Eisenkern ist von einer Isolierschicht
und diese wiederum aus gut leitendem massiv aufgebautem Kupfer oder
Aluminium umgeben.
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Die
DE 198 09 839 A1 offenbart
eine Schaltanlage mit einem gasdichten, mit Gas befüllten Behälter, in
dem drei parallel zueinander angeordnete Vakuumleistungsschalterröhren vorgesehen
sind. Dabei sind die Vakuumleistungsschalterröhren zur Erzeugung eines Magnetfeldes
eingerichtet.
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Aus
der
DE 39 00 684 ist
eine Kontaktanordnung für
eine Vakuumschaltröhre
bekannt. Die dort offenbarte Kontaktanordnung weist einen feststehenden
Festkontakt sowie einen diesbezüglich
in einer Längsrichtung
beweglich geführten
Bewegkontakt auf. Der Festkontakt und der Bewegkontakt bestehen jeweils
aus einer Kontaktscheibe und einem topfförmigen Kontaktträger, der
einen hohlzylindrischen Wandungskörper sowie eine der Kontaktscheibe
axial gegenüberliegende
Bodenwandung aufweist. An der Bodenwandung ist ein Stromführungsbolzen
zum Zu- bzw. Abführen
eines elektrischen Stromes befestigt. Der Wandungskörper weist
gegenüber
der Längsrichtung
geneigte Schlitze auf, die wendelförmige Leiterbahnen begrenzen, über die
einem über die
Kontaktanordnung fließenden
Strom eine azimutale Richtungskomponente aufgeprägt wird. Durch diesen Stromverlauf
kommt es beim Trennen der Kontakte zur Ausbildung eines beispielsweise
axialen Magnetfeldes zwischen den einander zugewandten Kontaktscheiben.
Das axiale Magnetfeld wirkt der Selbstkontraktion eines Lichtbogens
und damit einem erhöhten
Abbrand der Kontakte entgegen, da sich die gesamte Energie des gezogenen
Lichtbogens gleichmäßig über die
gesamte Oberfläche
der Kontaktscheiben verteilt.
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Alternativ
dazu ist durch die geschlitzte Ausführung der Kontaktstücke auch
die Erzeugung eines radialen Magnetfeldes zwischen den sich stirnseitig zugewandten
Kontakten möglich,
das für
eine Rotation eines gezogenen Lichtbogens aufgrund von Lorentzkräften sorgt.
Die Rotation unterstützt
den Löschprozess
des Lichtbogens bei einem Nulldurchgang des Wechselstromes, so dass
aufgrund des radialen Magnetfeldes höhere Ströme durch den Vakuumschalter
unterbrochen werden können.
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Den
Schaltanlagen ohne Abschirmung elektromagnetischer Strahlung haftet
der Nachteil an, dass das vorteilhafte Eigenmagnetfeld einer Vakuumschaltröhre, also
das durch ihre eigenen Kontaktstücke
erzeugte Magnetfeld, durch parasitäre Fremdmagnetfelder, die von
den Kontaktanordnungen benachbarter Vakuumschaltröhren stammen,
beeinflusst ist. Insbesondere bei einer dreipoligen Ausgestaltung
der Schaltanlage, die bei dreiphasigen Wechselstromnetzen üblich ist,
kann sich der zeitabhängige
Fremdmagnetfeldeinfluss nachteilig auswirken und die beschriebenen
vorteilhaften Wirkungen des Eigenmagnetfeldes verringern oder sogar
vollständig
unterdrücken.
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Die
Beeinflussung einer Vakuumschaltröhre durch Fremdmagnetfelder
ist vom Abstand der Vakuumschaltröhren voneinander abhängig. Bei
größeren Abständen ist
der Fremdmagnetfeldeinfluss geringer als bei kleineren Abständen. Um
den Fremdmagnetfeldeinfluss möglichst
gering zu halten, ist daher bei Schaltanlagen gemäß dem Stand
der Technik zwischen den Vakuumschaltröhren ein ausreichend großer Abstand
eingehalten, um die Stärke
des Fremdmagnetfeldes nicht größer als
die Stärke
des Eigenmagnetfeldes werden zu lassen. Das Einhalten großer Abstände zwischen
den Vakuumschaltröhren führt jedoch
zu raumgreifenden Schaltanlagen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Schaltanlage der eingangs genannten Art
bereitzustellen, die eine Abschirmung von Fremdmagnetfeldern ermöglicht,
ohne hierbei in die Konzeption der Schalteranordnung eingreifen
zu müssen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe dadurch, dass die Feldsteuerelemente außerhalb
der Schalteranordnung angeordnet sind.
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Die
Erfindung beruht auf dem Effekt, dass ferromagnetische Feldsteuerelemente,
also Feldsteuerelemente mit einer Permeabilität größer als 1, einen gegenüber dem
Gasraum, in dem die Vakuumschaltröhren angeordnet sind, herabgesetzten
magnetische Widerstand aufweisen. Ein Fremdmagnetfeld breitet sich
daher aus energetischen Gründen bevorzugt
in den Feldsteuerelementen aus, so dass es durch eine Anordnung
der Feldsteuerelemente außerhalb
der Schalteranordnung ermöglicht
ist, die außerhalb
der Vakuumkammer der Vakuumröhren vorhandenen
Magnetfelder, also die Streumagnetfelder, in den Feldsteuerelementen
zu bündeln.
Durch diese Bündlung
der Magnetfelder können
benachbarte Vakuumschaltröhren
selbst bei geringen Abständen
der Vakuumschaltröhren
voneinander von dem störenden
Fremdmagnetfeldeinfluss weitgehend freigehalten werden. Durch die
ferromagnetischen Feldsteuerelemente werden die erzeugten parasitären Magnetfelder
von den benachbarten Vakuumschaltröhren quasi abgesaugt.
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Unter
dem Begriff Abschirmen ist im Sinne der Erfindung demnach das Abhalten
von gestreuten Magnetfeldern von den Vakuumaschaltröhren durch Bündelung
dieser Magnetfelder in den Feldsteuerelementen zu verstehen. Dabei
ist es überraschen derweise
nicht erforderlich, dass die Feldsteuerelemente zwischen den Vakuumschaltröhren angeordnet sind.
Erfindungsgemäß sind die
Feldsteuerelemente gerade nicht zwischen benachbarten Vakuumschaltröhren, sondern
außerhalb
der Schalteranordnung angeordnet. Die Feldsteuerelemente stellen
erfindungsgemäß vielmehr
eine Art magnetischen Kominutierungszweig oder mit anderen Worten
einen magnetischen Shunt dar, der den benachbarten Vakuumröhren parallel
geschaltet ist. Auf Grund des herabgesetzten magnetischen Widerstands
in diesem Kommutierungszweig findet der magnetische Fluss im Wesentlichen über die
Feldsteuerelemente statt.
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Zum
Schalten mehrphasiger Wechselströme werden
in der Regel mehrpolige Schaltanlagen eingesetzt, wobei die Anzahl
der Pole der Anzahl der zu schaltenden Phasen entspricht. Der Abstand
der Vakuumschaltröhren
solcher Schaltanlagen wird daher üblicherweise auch als Polmittenabstand
bezeichnet.
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Die
erfindungsgemäß vorgesehen
Feldsteuerelemente sind aus einem ferromagnetischen Material wie
Eisen, Nickel, Chrom, ferromagnetische Metalllegierungen, wie beispielsweise
Mumetall oder aber auch nicht leitenden Stoffen wie Ferrite oder
mit Ferromagnetika gefüllten
Kunststoffen, wie beispielsweise Thermo- oder Duroplasten.
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Die
Vakuumschaltröhren
sind in der Regel parallel zueinander ausgerichtet und bilden eine Schalteranordnung
aus. Da für
jede Phase eines Verteilernetzes eine Vakuumschaltröhre benötigt wird,
ist bei Drehstromnetzen üblicherweise
der Einsatz von drei Vakuumschaltröhren erforderlich, die zusammen mit
Kühl-,
Halte- und Stromführungsmitteln
Schalterpole ausbilden. Die drei Schalterpole werden im Folgenden
als Schalteranordnung bezeichnet.
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Überraschenderweise
ergab sich, dass Feldsteuerelemente, die zwischen den Vakuumschaltröhren angeordnet
sind, den Fremdmagnetfeldeinfluss verstärken. Dies beruht auf der Herabsetzung
des magnetischen Widerstandes durch die Feldsteuerelemente zwischen
den Vakuumschaltröhren,
wodurch ein Übergreifen
eines von der benachbarten Schaltröhre erzeugten Magnetfeldes
begünstigt
wird. Durch das Anordnen der Feldsteuerelemente außerhalb
der Schalteranordnung wird der parasitäre magnetische Fluss jedoch
aus der Schalteranordnung abgesaugt. Die Schalteranordnung kann
erfindungsgemäß unabhängig von
der Abschirmung ausgelegt und konzipiert bleiben, so dass erfindungsgemäß eine kostengünstige Abschirmung
ermöglicht
ist.
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Vorteilhafterweise
sind die Feldsteuerelemente kastenförmig ausgestaltet.
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Abweichend
dazu sind die Feldsteuerelemente plattenförmig ausgestaltet. Bei dieser
erfindungsgemäßen Weiterentwicklung
sind die Herstellungskosten der Feldsteuerelemente verringert. In
jedem Fall verläuft
das Feldsteuerelement nicht umfänglich
geschlossen um die Vakuumschaltröhren, wodurch
gegebenenfalls eine Verschlechterung der Wirkung des Feldsteuerelementes
in Kauf genommen werden muss.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Weiterentwicklung
der Erfindung sind die Vakuumschaltröhren in einem aus ferromagnetischem
Material bestehenden Gasbehälter
angeordnet. Der Gasbehälter
kann mit einem Schutzgas befüllt
sein oder aber lediglich eine Luftisolation bereitstellen und zur
Atmosphäre
hin offen ausgestaltet sein. Dabei umgibt der Gasbehälter die
Vakuumschaltröhren
von allen Seiten, so dass der magnetische Fluss zwischen den Vakuumschaltröhren reduziert
wird.
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Selbstverständlich ist
es im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Vakuumschaltröhren in
einem nicht aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Gasbehälter anzuordnen,
um somit eine Gasisolation, beispielsweise aus Schwefelhexafluorid
oder einem sonstigen üblichen
Schutzgas, bereitzustellen.
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Bei
solchen Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist jedoch das Feldsteuerelement zusätzlich zum
Gasbehälter
in diesem vorzusehen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Feldsteuerelement gleichzeitig
ein Befestigungsmittel zum Befestigen einer aus den Vakuumschaltröhren gebildeten
Schalteranordnung in der Schaltanlage, beispielsweise in einem Behälter oder
dergleichen.
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Weitere
zweckmäßige Ausgestaltungen
und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen der
Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei sich
entsprechende Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind
und
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltanlage
in einer teilweise geschnittenen Darstellung,
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Schaltanlage gemäß 1 und
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Schaltanlage gemäß 1.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltanlage 1 in
einer teilweise geschnittenen Darstellung. Die in 1 nur
ausschnittsweise dargestellte Schaltanlage 1 weist eine Schalteranordnung 2 auf,
die aus drei Schalterpolen 3 besteht. Jeder Schalterpol 3 weist
eine aus einem Polkopf 4 sowie einem Polträger 5 bestehende
Polarmatur auf, wobei Polkopf 4 und Polträger 5 über eine Polschale 6 mitein ander
verbunden sind. Um einen Stromfluss über die Polschale 6 zu
verhindern, ist die Polschale aus einem nicht leitenden Kunststoff
hergestellt. Polkopf 4 und Polträger 5 jedes Schalterpols 3 sind über eine
Vakuumschaltröhre 7 elektrisch
miteinander verbunden. Dabei besteht die Vakuumschaltröhre 7 aus
einem hohlzylindrischen Keramikkörper,
der stirnseitig von zwei aus Metall bestehenden Deckeln vakuumdicht
verschlossen ist. Am Polkopf 4 weist jede Vakuumschaltröhre 7 im
Innern des Keramikkörpers
einen in 1 nicht sichtbaren Festkontakt
auf, dem stirnseitig ein längsbeweglich
geführter
Bewegkontakt gegenüberliegt.
Dabei ist die Vakuumschaltröhre 7 an
ihrem dem Polträger 5 zugewandten
Ende mit einem Metallfaltenbalg versehen, den eine Schaltstange
durchgreift, die an ihrem in die Vakuumschaltröhre 7 hineinragenden
Ende den Bewegkontakt trägt.
An ihrem aus der Vakuumschaltröhre 7 herausragenden
Ende ist die Schaltstange mechanisch mit einem Antrieb 8 verbunden,
der zur Erzeugung der Schaltbewegung eingerichtet ist. Die erzeugte
Antriebsbewegung wird über
ein zweckmäßiges Hebelgetriebe
durch den Polträger 5 geführt und
in die nicht dargestellte Schaltstange eingeleitet. Durch die Schaltbewegung
werden Festkontakt und Bewegkontakt voneinander getrennt bzw. miteinander
in Kontakt gebracht, so dass ein Stromfluss über den Schalterpol ermöglicht ist.
Zum Zuführen
und lastseitigen Abführen
des Stromes ist jeder Schalterpol 3 ferner mit nicht figürlich dargestellten
Stromanschlüssen
versehen.
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In 1 ist
weiterhin erkennbar, dass die Schalterpole 3 in einem Gasbehälter 9 angeordnet sind,
der gasdicht ausgestaltet und mit einem Schutzgas, wie beispielsweise
SF6 oder Stickstoff, gefüllt ist. Zwischen den Schalterpolen 3 wird
daher ein Gasraum mit einem hohen magnetischen Widerstand ausgebildet.
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Der
Festkontakt und der Bewegkontakt der Vakuumschaltröhre 7 weisen
geschlitzte Kontaktträger
auf, wobei durch die Schlitze wendelförmige Leitungsabschnitte begrenzt
sind, die einen über
die Vakuumschaltröhre 7 geführten Strom
eine azimutale Komponente aufprägen,
so dass zwischen den Kontakten ein axiales oder radiales Magnetfeld
erzeugt wird, das ein Abbrand der Kontakte reduziert und/oder die
Löschung
des Lichtbogens bei einem Nulldurchgang des über den Schalterpol 3 geführten Wechselstromes
unterstützt.
Das durch die geschlitzten Kontakte der Vakuumschaltröhre 7 erzeugte
Magnetfeld ist jedoch nicht auf den Zwischenraum zwischen den Kontakten
begrenzt. Vielmehr wird auch außerhalb
oder neben den Kontakten ein Magnetfluss erzeugt, dessen Stärke von
der durch die Vakuumschaltröhre 7 fließenden Stromstärke als
auch vom Abstand von den jeweiligen magnetfelderzeugenden Kontakten
abhängig
ist.
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Aufgrund
des Wechselstromes ist das Fremdmagnetfeld beispielsweise am Ort
des mittleren Schalterpols 3 von der Phasenlage des Stroms der
beiden benachbarten Vakuumschaltröhren 7 abhängig. Durch
die beidseitige Erzeugung der Fremdmagnetfelder erfährt der
mittlere Schalterpol 3 eine besonders starke Beeinflussung
von Fremdmagnetfeldern.
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Um
den Einfluss dieser parasitären
oder Fremdmagnetfelder zu verringern, sind Feldsteuerelemente 10 vorgesehen,
die in 1 plattenförmig ausgebildet
und außerhalb
der Schalteranordnung 2 in den Gasbehälter 9 eingebaut sind.
Die Feldsteuerelemente 10 bestehen aus Nickelblech und
sind ferromagnetisch. Der magnetische Widerstand in den Feldsteuerelementen 10 ist
daher um ein Vielfaches geringer als der magnetische Widerstand
im Gasraum des Gasbehälters 9.
Der magnetische Fluss breitet sich folglich aus energetischen Gründen bevorzugt
innerhalb der Feldsteuerelemente 10 aus. Die Feldsteuer elemente 10 bewirken
daher quasi ein Absaugen der parasitären Magnetfelder aus der Schalteranordnung 2 nach
außen,
so dass die Mittenabstände
zwischen den Schalterpolen 3 auch bei höheren Strömen gegenüber vorbekannten Schaltanlagen 1 verringert
ist.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Schaltanlage 1 gemäß 1,
wobei in diesem Ausführungsbeispiel
ein kastenförmiges
Feldsteuerelement 10 vorgesehen ist, das die gesamte Schalteranordnung 2 geschlossen
umgibt. Durch das geschlossene umlaufende Feldsteuerelement 10 ist
der Einfluss des ferromagnetischen Stoffes vergrößert.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Schaltanlage 1,
wobei die Feldsteuerelemente 10 als Teil der äußeren Polschalen 6 der
Schalteranordnung 2 ausgebildet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel
bestehen die Feldsteuerelemente 10 aus einem nicht leitenden
Material und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem mit einem
ferromagnetischen Partikeln gefüllten
Duroplasten.