DE19519078A1 - Hochspannungs-Vakuumschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsvakuumschalter, dessen Vakuumkammer an ihrem äußeren Umfang durch einen Kondensatschirm begrenzt ist, an den sich stirnseitig je ein Isolierzylinder anschließt, von denen der eine Isolierzylinder zentrisch den feststehenden Schaltstift mit dem zugehörigen Schaltkontakt und der andere Isolierzylinder zentrisch den beweglichen Schaltstift mit dem zugehörigen Schaltkontakt aufnimmt, wobei mit dem beweglichen Schaltstift ein Metallfaltenbalg in Verbindung steht, der die Vakuumkammer vakuumdicht abschließt und so den Schalthub ermöglicht.

Wie beispielsweise aus der DE 38 29 888 A1 hervorgeht, sind Vakuumschalter im allgemeinen wie folgt aufgebaut: Ein Abschirmzylinder, an den sich die entstehenden Metalldämpfe niederschlagen, die sich während des Schaltvorganges durch den zwischen den Schaltkontakten stehenden Metalldampflichtbogen ausbilden, ist stirnseitig mit je einem Isolierzylinder, die auch Porzellanzylinder sein können, verbunden. Diese Bauteile begrenzen nach außen den evakuierten Raum der Vakuumkammer. Der eine Isolierzylinder nimmt den feststehenden Schaltstift mit seinem Schaltkontakt und der zweite Isolierzylinder den bewegliche Schaltstift mit seinem zugehörigen Schaltkontakt auf. Die Betätigung des beweglichen Schaltstiftes erfolgt durch eine Kurvenscheibe die an den beweglichen Schaltstift angreift und so einen Kontakthub ermöglicht. Zum vakuumdichten Abschluß der Vakuumkammer befindet sich der bewegliche Schaltstift in Verbindung mit einem Metallfaltenbalg.

Das Unterbrechen von Betriebsströmen sowie von Kurzschlußströmen bei Betriebsspannungen von 0,4-36 kV erfolgt unabhängig davon, wie der Aufbau des einzelnen Vakuumschalters ausgehend vom grundsätzlichen Aufbau gestaltet ist. Dabei hat sich für die Schaltkontakte die Stirnkontaktform als effektivste Form ergeben. Die Schaltkontakte haben die Form runder Scheiben, wobei ihr Durchmesser durch die Größe des zu unterbrechenden Stromes bestimmt wird, während für ihre Höhe, - s. u.a. DE 41 19 191 A1 - die Erzeugung des zur Löschung in Richtung und Intensität notwendiges Magnetfeld an der Stirnseite der Kontakte ausschlaggebend ist. Die Grenzen für die Kontaktanordnungen ergeben sich bei dem Streben nach höheren Betriebsspannungen von 54-72,5 kV oder 123 kV für die Unterbrechung des Stromes mit nur einer Schaltkammer dadurch, daß ein Schalter nach der Unterbrechung des Stromes in der AUS Stellung ein bestimmtes Isoliervermögen haben muß. Gemäß den zu beachtenden Prüfvorschriften ist jeder Betriebsspannung ein bestimmter Wert für die Nennstehblitzstoßspannung und Nennstehschaltstoßspannung zugeordnet, den der Vakuumschalter zu beherrschen hat. Die Nennstehblitzstoßspannung der Schaltstrecke eines 72,5 kV Schalters beträgt 325 kV.

Wird nun von den Schaltkontakten in Form annähernd gleich großer Scheiben ausgegangen, so läuft beim Öffnen der Schaltkontakte der entstehende Schaltlichtbogen infolge der Wirkung des Magnetfeldes der Radialmagnetfeldkontakte radial nach außen, bzw. bei den Axialmagnetfeldkontakten bleibt der Schaltlichtbogen durch die Wirkung des axialen Magnetfeldes diffus, bis beim Stromnulldurchgang der Schaltlichtbogen und damit der Strom unterbrochen wird. Die Bewegung der Lichtbogenfußpunkte einschließlich des Lichtbogenplasmas verursacht eine hohe thermische Belastung der gesamten Kontaktoberfläche. Da der Vakuumlichtbogen im Metalldampf brennt, herrscht an den Kontaktoberflächen die Verdampfungstemperatur des Kontaktmaterials. Nach der Löschung des Schaltlichtbogens kühlen sich die Kontaktoberflächen ab. Da diese Lichtbogenbeanspruchung für die Kontaktoberflächen nicht gleichmäßig erfolgt, wird dabei das nicht völlig homogene Gefüge des Kontaktwerkstoffes aufgeschmolzen. Es kommen für Schaltkontakte im allgemeinen eine Werkstoffkombination aus Cu/Cr zur Anwendung. Nach dem Erstarrungsprozeß ergeben sich verschiedene Inhomogenitäten, die zu einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Rauigkeit der Kontaktoberflächen führen. Durch die Beanspruchung durch den Schaltlichtbogen entsteht eine Rauigkeit an den im Neuzustand technisch glatten Kontaktoberflächen der Schaltkontakte mit völlig unterschiedlichen Spitzen und Senken. Dies aber hat zur Folge, daß sich an den Spitzen Stellen höchster Feldstärken einstellen, wenn eine entsprechend hohe Spannung zwischen den Kontakten anliegt. Je nach Größe der Spitzen reduziert sich dadurch jedoch die Durchschlagspannung, so daß das Isoliervermögen in weiten Bereichen schwanken kann.

Diese Erscheinung ist um so ausgeprägter, je höher die Betriebsspannung ist. Sie verstärkt sich noch, wenn bei einer Einschaltung auf Kurzschluß eine stromlose Ausschaltung erfolgt. Dies ist für einen Leistungsschalter ein durchaus normaler Betriebsvorgang. Das ist schließlich ein wesentlicher Grund dafür, weshalb mit nur einer Schaltkammer bisher keine höheren Betriebsspannungen als 36 kV pro Schaltkammer beherrscht werden. Weiterhin ist zu beachten, daß es beim Einschalten stets zu einer Vorzündung kommt, da die Spannung immer schneller ist als die Bewegung der Schaltkontakte. Die mit der Vorzündung einhergehende Ausbildung eines Vorzündlichtbogens bedeutet im Falle eines Kurzschlusses, daß ein Nenneinschaltstrom bis zu 100 kA bei Nennausschaltströmen von 40 kA fließen kann. Durch das Entstehen eines Vorzündlichtbogens im Vakuum wird an den Schaltkontaktoberflächen die Schmelztemperatur, wenn auch nur sehr kurz, überschritten. Nach der Berührung der an den betreffenden Stellen aufgeschmolzenen Schaltkontakte sind örtliche Verschweißungen nicht immer vermeidbar. Wird dann der geschlossene Vakuumschalter stromlos bei erkalteten Kontakten geöffnet, was mit einem Auseinanderreißen der Schaltkontakte verbunden ist, so entstehen auch hierbei scharfe Metallspitzen, die ebenfalls die Isolationsfestigkeit der geöffneten Schaltstrecke des Vakuumschalters bis 50% herabsetzen können. In Erkenntnis dessen, daß eine Erniedrigung der Isolationsfähigkeit sich daraus ergibt, daß die Oberfläche der Schaltkontakte durch den zwischen ihnen erzeugten Lichtbogen aufgerauht wird, wodurch auf der Oberfläche der Schaltkontakte eine Anzahl kleiner Vorsprünge gebildet wird, durch die das örtliche elektrische Feld extrem erhöht wird, ist nach der DE-AS 27 54 547 s.a. DE 24 07 001 C3 ein Vakuumschalter bekannt, bei dem sich die Kontakte in der Schließstellung des Vakuumschalters innerhalb eines zurückspringenden ersten Zylinderteiles befinden und bei dem sich der bewegliche Kontakt beim Öffnen des Vakuumschalters in eine erste innerhalb des zurückspringenden ersten Zylinderteiles liegende Trennstellung bringbar ist. Dort verbleibt der bewegliche Kontakt mindestens während einer Halbperiode der Wechselspannung, bevor er in eine zweite innerhalb eines zweiten zurückspringenden Zylinderteiles liegende Trennstellung bringbar ist. Bei diesem Vakuumschalter bildet zumindest der erste zurückspringende Zylinderteil den Kondensatschirm, so daß an diesem auch die bei der Kontakttrennung entstehenden Metalldämpfe, soweit sie sich nicht an den Kontakten selbst niederschlagen, kondensieren. Soll also die durch diesen Vakuumschalter beabsichtigte Wirkung erreicht werden, so ist nicht nur der radiale Abstand des Kondensatschirmes zu den Kontakten zu vergrößern, sondern auch der Kondensatschirm und damit auch der Vorsprung des zweiten zurückspringenden Zylinderteiles erfordern eine große Krümmung, was gleichbedeutend damit ist, daß sich auch hierdurch eine Vergrößerung des Vakuumschalters in radialer Richtung ergibt. Während eine Vergrößerung des radialen Abstandes des Kondensatschirmes zu den Kontakten bedingt ist durch das elektrische Feld am Umfang der Kontakte, erfordert das schwachinhomogene Feld zwischen den Vorsprüngen des Kondensatschirmes und des zweiten zurückspringenden Zylinderteiles eine Vergrößerung der Krümmung der Vorsprünge. Der Einsatz eines Vakuumschalters mit vergrößertem äußeren Durchmesser in einer elektrischen Schaltanlage wird jedoch abgelehnt, da diese zwangsläufig zu einer größeren Breite der elektrischen Anlage führt, in die der Vakuumschalter integriert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsvakuumschalter zu schaffen, bei dem ausgehend von einer an ihrem äußeren Umfang durch einen Kondensatschirm begrenzten Vakuumschaltkammer und von stirnseitig sich an den Kondensatschirm anschließenden Isolierkörper, von dem der eine den feststehenden Schaltstift mit dem zugehörigen Schaltkontakt und der andere Isolierkörper den beweglichen Schaltstift mit dem zugehörigen Schaltkontakt aufnimmt, ohne Vergrößerung des Durchmessers der Vakuumschaltkammer eine Erhöhung der Betriebsspannung je Vakuumschaltstrecke zu gewährleisten, indem die durch normale betriebliche Schalthandlungen entstehenden Inhomogenitäten auf den Oberflächen der Schaltkontakte keinen nennenswerten Einfluß auf das Isolationsvermögen ausüben.

Erfindungsgemäß wird dieses dadurch erreicht, daß der Kontakthub H aus drei Funktionsstufen besteht und zwar aus dem Schalthub als erste Funktionsstufe H₁ und aus einem aus zwei Stufen bestehenden Isolierhub, indem zunächst der Schalthub durch den beweglichen Schaltstift und damit durch den zugehörigen beweglichen Schaltkontakt ausführbar ist, an den sich zeitlich die erste Stufe des Isolierhubes als zweite Funktionsstufe H₂ anschließt, indem der bewegliche Schaltkontakt in Richtung eines den beweglichen Schaltstift konzentrisch umgebenden Potentialringes so lange verschiebbar ist, bis der bewegliche Schaltkontakt sich im Feldschatten des zugehörigen Potentialringes befindet, und die zweite Stufe des Isolierhubes als dritte Funktionsstufe H₃ durch Eintreten des feststehenden Schaltkontaktes in den Feldschatten eines den feststehenden Schaltstift konzentrisch umgebenden weiteren Potentialringes durchführbar ist, der dabei mit der gesamten Vakuumschaltkammer durch einen am beweglichen Schaltstift angeordneten, als Anschlag dienenden Ring solange mitnehmbar ist, bis der feststehende Schaltkontakt sich im Feldschatten des diesen Schaltkontakt zugeordneten Potentialringes befindet.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung eines Vakuumschalters wird somit erreicht, daß die das Isoliervermögen gewährleistenden kalten Potentialringe in der AUS Position über die nach einem Schaltvorgang naturgemäß heißen Schaltkontakte, die mit das den Ausschaltstrom umgebenden Magnetfeld verstärkenden Ausnehmungen versehen sind und aus einem Cu/Cr Sinterwerkstoff bestehen, hinaus ragen und somit nahezu vollständig das elektrische Feld im gesamten axialen Kontaktsystem bestimmen. Es bestimmen also die kalten und glatten Oberflächen der Potentialringe die Durchschlagfestigkeit im AUS Zustand und die heißen, durch den Schaltlichtbogen erzeugten rauhen Oberflächen der Schaltkontakte verlieren ihren Einfluß auf die Durchschlagfestigkeit. Diese Funktionsteilung von Schalten und Isolieren auf praktisch zwei getrennte Elektrodenpaaren, ermöglicht sowohl deren Form als auch deren Materialien unterschiedlich zu wählen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung stehen sich daher beide Potentialringe axial gegenüber und bestehen aus einem Material hoher Schmelztemperatur, vorzugsweise Chrom-Nickel-Stahl, da Chrom-Nickel-Stahl wesentlich höhere Durchschlagspannungswerte als zum Beispiel Kupferwerkstoffe gewährleistet. Die nahezu thermisch unbeeinflußten Potentialringe sichern unter Verwendung dieses Werkstoffes aber auch durch die gleichbleibend glatten Oberflächen nicht nur höhere Werte für die Durchschlagspannung sondern sie tragen auch dazu bei, daß diese Werte annähernd konstant bleiben. Unter Berücksichtigung dessen, daß sich die Potentialringe axial gegenüber stehen, ergeben sich praktisch ringförmige Linienelektroden, die ebenfalls dazu beitragen, daß die durch die Erfindung beabsichtigte Wirkungen erzielt werden. Bei dieser Ausbildung der Potentialringe ist der den feststehenden Schaltstift konzentrisch umgebende Potentialring über einen diesem Schaltstift konzentrisch umgebenden Schirm an der oberen, die Vakuumschaltkammer begrenzende Platte der Armierung des oberen Isolierkörpers galvanisch angelenkt, während der den beweglichen Schaltstift konzentrisch umgebende Potentialring über einen diesen Schaltstift konzentrisch umgebenden Schirm am Boden der Vakuumschaltkammer galvanisch angelenkt ist, diese Bodenplatte ist zugleich die begrenzende Platte der Armierung des unteren Isolierzylinders.

Die axiale Verschiebung der Vakuumschaltkammer und damit auch des den feststehenden Schaltstiftes konzentrisch umgebenden Potentialringes erfolgt vorteilhaft durch Anlegen des als Anschlag dienenden Ringes am Boden der Armierung des unteren mit dem Kondensatschirm in Verbindung stehenden Isolierzylinder der Vakuumschaltkammer. Dabei erfolgt diese Verschiebung gegen die Kraft von Druckfedern, so daß diese bei der Auslösung eines Einschaltvorganges die Ein- Bewegung energetisch unterstützen. Um die axiale Verschiebung der Vakuumschaltkammer zu ermöglichen, ist gleichzeitig die Armierung des oberen mit dem Kondensatschirm in Verbindung stehenden Isolierzylinders axial verschiebbar in einer zylindrischen Verlängerung einer oberen feststehenden Führungsplatte der Vakuumschaltkammer angeordnet.

Damit die Druckfedern eine eindeutige Führung erhalten, greifen diese in gleichmäßig am Umfang des Bodens der Vakuumschaltkammer verteilt angeordnete Ausnehmungen ein, wobei die Druckfedern auf dem Boden der Vakuumschaltkammer gegenüberliegende Seite von Ausnehmungen einer unteren feststehenden Führungsplatte geführt sind. Um zu ereichen, daß die axial bewegliche Vakuumschaltkammer beim Einschaltvorgang nach Freigabe der gespannten Druckfedern bei ihrer dem Ausschaltvorgang entgegengesetzten Bewegung eine Dämpfung erfährt, - im gespannten Zustand der Druckfedern ist der Boden der Vakuumschaltkammer durch Verklinkung über einen von außen wirkenden Antrieb arretiert steht der Raum zwischen der oberen feststehenden Führungsplatte und der oberen die Vakuumschaltkammer begrenzenden Platte der Armierung des oberen mit dem Kondensatschirm in Verbindung stehenden Isolierzylinders über Steuerbohrungen am Umfang der zylindrischen Verlängerung der feststehenden Führungsplatte mit dem äußeren Gasraum der Vakuumschaltkammer in Verbindung, wobei das Gas im Gasraum unter Berücksichtigung seiner guten Isoliereigenschaften und des Wärmetransportvermögens vorzugsweise SF₆ ist.

Auch der Raum zwischen der unteren feststehenden Führungsplatte und dem Boden der Vakuumschaltkammer sollte über Steuerbohrungen mit dem äußeren Gasraum der Vakuumschaltkammer in Verbindung stehen, um die Wirkung der Druckfedern zu entlasten.

Damit der feststehende Schaltkontakt bei der Durchführung eines Ausschaltvorganges beim Durchlaufen jeder Funktionsstufe stehen bleibt, also auch bei der axialen Verschiebung der Vakuumschaltkammer, steht der feststehende Schaltstift kraftschlüssig mit der oberen feststehenden Führungsplatte der Vakuumschaltkammer in Verbindung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist sowohl der bewegliche Schaltstift als auch der feststehende Schaltstift konzentrisch von einem Metallfaltenbalg umgeben, wobei der den beweglichen Schaltstift konzentrisch umgebende Metallfaltenbalg einerseits am beweglichen Schaltstift und andererseits am Boden der Vakuumschaltkammer befestigt ist, während der den feststehenden Schaltstift konzentrisch umgebende Metallfaltenbalg einerseits am feststehenden Schaltkontakt und andererseits an der oberen die Vakuumschaltkammer begrenzende Platte der Armierung des oberen Isolierzylinder befestigt ist. Dabei sind sowohl der den beweglichen Schaltstift konzentrisch umgebende Metallfaltenbalg, als auch der den feststehenden Schaltstift konzentrisch umgebende Metallfaltenbalg, zur Erhaltung der Vakuumdichtheit während der mechanischen Bewegungen, innerhalb der Vakuumschaltkammer angeordnet.

Besonders vorteilhaft ist es, und das hängt mit der Wärmeabführung zusammen, wenn sowohl der bewegliche Schaltstift als auch der feststehende Schaltstift als Rohre ausgebildet sind und an ihrem Umfang Ausnehmungen besitzen, über die sie mit den Räumen zwischen den Metallfaltenbälgen und dem beweglichen sowie feststehenden Schaltstift in Verbindung stehen. Dabei können diese Räume mit der freien Atmosphäre in Verbindung stehen, oder aber auch mit einem elektronegativen Gas, vorzugsweise SF₆ mit seinem hohen Wärmetransportvermögen.

Während durch die Zuordnung je eines Metallfaltenbalges zum beweglichen und zum feststehenden Schaltstift erreicht wird, daß beim Ausschaltvorgang der dem beweglichen Schaltstift zugeordnete Metallfaltenbalg nur um etwa das Maß zusammengedrückt wird, das dem zurückgelegtem Weg beim Ablauf der Funktionsstufen H₁ und H₂ entspricht, und der den feststehenden Schaltstift zugeordnete Metallfaltenbalg um das Maß zusammengedrückt wird, daß dem zurückgelegen Weg beim Ablauf der Funktionsstufe H₃ entspricht - es liegt also eine mechanische Reihenschaltung der Metallfaltenbälge vor -, wird durch die Anordnung der Metallfaltenbälge in Verbindung mit der Ausbildung der Schaltstifte als Rohre, bei gleichseitiger Erzielung einer Vakuumdichtung durch sie Metallfaltenbälge, aber auch erreicht, daß eine gute Wärmeabführung von den Schaltkontakten ermöglicht wird. Das besonders deshalb, weil nunmehr nicht nur innere und äußere Umfangsfläche der aus einem Rohr gebildeten Schaltstifte sondern vor allen Dingen auch die Rückflächen beider Schaltkontakte mit der Atmosphäre bzw. mit SF₆ in Verbindung gebracht werden. Über die Ausnehmungen am Umfang der Schaltstifte in Form von Rohren wird gleichzeitig ein Überdruck in den Räumen zwischen den Schaltstiften und den Metallfaltenbälgen bei ihrem Zusammendrücken vermieden.

Damit bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Vakuumschalter die Vakuumschaltkammer mit den Nachbarkomponenten der elektrischen Schaltanlage verbunden werden kann, ist sowohl die obere feststehende Führungsplatte als auch die untere feststehende Führungsplatte mit jeweils einer Armierung für den äußeren Gasraum der Vakuumschaltkammer koaxial begrenzenden Isolierzylinder verbunden, wobei sowohl die obere als auch die untere Armierung mit die Kontaktierung mit dem Nachbarkomponenten vornehmenden Steckkontakten in Verbindung stehen.

Schließlich steht zwecks Betätigung des beweglichen Schaltstiftes und damit des beweglichen Schaltkontaktes kraftschlüssig ein Gelenk mit dem beweglichen Schaltstift in Verbindung, an das eine mit dem Antrieb des Hochspannungsvakuumschalters in Wirkverbindung stehende Isolierstange angreift. Das schließt selbstverständlich nicht aus, daß auch beliebig andere Bauelemente verwendet werden können, die zur Übertragung einer Bewegung auf den beweglichen Schaltstift geeignet sind, so beispielsweise eine Kurvenscheibe.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den Schnitt eines Hochspannungsvakuumschalters in der Einschaltstellung

Fig. 2 den Schnitt eines Hochspannungsvakuumschalters in der Ausschaltstellung.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Hochspannungsvakuumschalter ist im wesentlichen die Vakuumschaltkammer (1) sowie vom zugehörigen Antrieb lediglich der Anschluß zum Gelenk dargestellt, das einerseits kraftschlüssig mit dem beweglichen, als Rohr ausgebildeten Schaltstift (3) in Verbindung steht und an das andererseits eine ebenfalls nicht weiter gezeigte Isolierstange angreift, über die die Verbindung zum Antrieb hergestellt wird. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, das trifft aber auch für die Darstellung in Fig. 2 zu, besteht die Vakuumschaltkammer (1) aus einem den evakuierten Raum (4) an seinem äußeren Umfang begrenzenden Kondensatschirm (5), an den sich stirnseitig je ein Isolierzylinder (6; 7) in Form von Porzellanzylindern anschließt. Dabei nimmt der Isolierzylinder (7) zentrisch den als Rohr ausgebildeten beweglichen Schaltstift (3) mit dem zugehörigen Schaltkontakt (8) auf. Konzentrisch zum beweglichen Schaltstift (3) ist der Metallfaltenbalg (9) angeordnet und wieder konzentrisch zu diesem ein Schirm (10), der sich im Bereich des beweglichen Schaltkontaktes (8) mit einem Potentialring (11) versehen ist, wobei der Schirm (10) das Potential des beweglichen Schaltstiftes (3) trägt. Sowohl der Metallfaltenbalg (9) als auch der Schirm (10) mit dem Potentialring (11) befinden sich im evakuierten Raum (4). Der Isolierzylinder (6) nimmt zentrisch den feststehenden Schaltstift (12), der ebenfalls als Rohr ausgebildet ist, mit dem zugehörigen feststehenden Schaltkontakt (13) auf. Auch dieser feststehende Schaltstift (12) ist konzentrisch von einem Metallfaltenbalg (14) umgeben, der wiederum konzentrisch von einem Schirm (15) umgeben ist, der das Potential des feststehenden Schaltstiftes (12) trägt der im Bereich des feststehenden Schaltkontaktes (13) ebenfalls mit einem Potentialring (16) versehen ist, wobei sowohl der Schirm (15) mit dem Potentialring (16), als auch der Metallfaltenbalg (14) sich im evakuierten Raum (4) befinden. Der Metallfaltenbalg (14) begrenzt in diesem Bereich den Vakuumraum (4) nach außen. Beide Potentialringe (11; 16) stehen sich innerhalb des evakuierten Raumes (4) axial gegenüber und bestehen aus einem Chrom-Nickel-Stahl.

Wie aus der Fig. 1 und 2 weiterhin ersichtlich ist, ist der den beweglichen Schaltstift (3) konzentrisch umgebende Metallfaltenbalg (9) am beweglichen Schaltkontakt (8) und am Boden (17) der Vakuumschaltkammer (1) befestigt, und auch der den feststehenden Schaltstift (12) konzentrisch umgebende Metallfaltenbalg (14) ist mit dem feststehenden Schaltkontakt (13) sowie mit der oberen, die Vakuumschaltkammer (1) begrenzenden Platte (18) der Armierung (19) des Isolierkörpers (6) verbunden. Beide Schaltstifte (3; 12) besitzen an ihrem Umfang Ausnehmungen (20), über sie mit den Räumen (21; 22) zwischen den Metallfaltenbälgen (9; 14) und dem beweglichen sowie dem feststehenden Schaltstift (3; 12) in Verbindung stehen. Beide Räume (21; 22) sind über den beweglichen sowie feststehenden Schaltstift (3; 12) mit dem äußeren Isoliergas über die Schaltrohre verbunden. Das SF₆ Gas kann somit seinem hohen Wärmetransportvermögen zur Kühlung der Schaltstifte (3; 12) mit den zugehörigen Schaltkontakten (8; 13) beitragen.

Aus Fig. 1 und 2 ist aber auch erkennbar, daß der bewegliche Schaltstift (3) an seinem äußeren Umfang mit einem als Anschlag dienenden Ring (23) versehen ist, durch den in der letzten Phase des Ausschaltvorganges die gesamte Vakuumschaltkammer (1) mitnehmbar ist. Dabei erfolgt die Mitnahme der Vakuumschaltkammer (1) durch Anliegen des als Anschlag dienenden Ringes (23) am Boden (17) der Armierung (24) des mit dem Kondensatschirm (5) in Verbindung stehenden Isolierzylinders (7) gegen die Kraft von Druckfedern (25), die gleichmäßig in am Umfang des Bodens (17) verteilt angeordnete Ausnehmungen (26) eingreifen und auf der dem Boden (17) gegenüberliegenden Seite von Ausnehmungen (27) aufgenommen werden, die in eine untere feststehende Führungsplatte (28) der Vakuumschaltkammer (1) eingelassen sind. Während der Raum (29) zwischen der unteren feststehenden Führungsplatte (28) und dem Boden (17) der Vakuumschaltkammer (1) über Steuerbohrungen (30) mit dem äußeren Gasraum (31) der Vakuumschaltkammer (1) in Verbindung steht, wobei die Steuerbohrungen (30) in eine zylindrische Verlängerung (32) der unteren feststehenden Führungsplatte (28) eingelassen sind, besitzt auch die zylindrische Verlängerung (33) der oberen feststehenden Führungsplatte (34) Steuerbohrungen (35). Über diese Bohrungen (35) ist der Raum (36) zwischen der oberen feststehenden Führungsplatte (34) und der oberen, die Vakuumschaltkammer (1) begrenzenden Platte (18) der Armierung (19) des Isolierzylinder (6) ebenfalls mit dem äußeren Gasraum (31) der Vakuumschaltkammer (1) verbunden, wobei als Gas im Gasraum (31) SF₆ vorgesehen ist. Sowohl die obere feststehende Führungsplatte (34) als auch die untere feststehende Führungsplatte (28) ist mit jeweils einer Armierung (37; 38) mit dem den äußeren Gasraum (31) der Vakuumschaltkammer (1) koaxial begrenzender Isolierzylinder (39) verbunden, wobei sowohl die obere als auch untere Armierung (37; 38), mit die Kontaktierung mit Nachbarkomponenten vornehmenden Steckkontakten (40; 41), in Verbindung stehen.

Soll nunmehr ausgehend von der in Fig. 1 gezeigten Einschaltstellung eine Ausschaltung vorgenommen werden, was über das Gelenk erfolgt, so führt zunächst der bewegliche Schaltstift (3) und damit auch der bewegliche Schaltkontakt (8) den Schalthub als erste Funktionsstufe H₁ eines aus drei Funktionsstufen bestehenden Kontakthubes H aus. An diesen Schalthub schließt sich die erste Stufe als zweite Funktionsstufe H₂ des aus zwei Stufen bestehenden Isolierhubes an, indem der bewegliche Schaltkontakt (8) in Richtung des den beweglichen Schaltstift (3) konzentrisch umgebenden Potentialringes (11) solange verschoben wird, bis der bewegliche Schaltkontakt (8) sich im Feldschatten des Potentialringes (11) befindet. Bei der Durchführung der zweiten Stufe des Isolierhubes als dritte Funktionsstufe H₃ trifft der feststehende Schaltkontakt (13) in den Feldschatten des den feststehenden Schaltstiftes (12) konzentrisch umgebenden Potentialringes (16) ein, der zusammen mit der Vakuumschaltkammer (1) durch den als Anschlag dienenden Ring (23) am beweglichen Schaltstift (3) nach dem Aufsitzen auf den Boden (17) der Vakuumschaltkammer (1) solange mitnehmbar ist, bis der feststehende Schaltkontakt (13) sich im Feldschatten des Potentialringes (16) befindet. Während die Mitnahme des Bodens (17) und damit der Vakuumschaltkammer (1) durch die Druckfedern (25) im Zusammenwirken mit der unteren, feststehenden Führungsplatte (28) sowie dem sich im Raum (29) befindlichen Gas als Polster begrenzt wird und die dabei erreichte Endstellung des Schaltstiftes (3) durch eine nicht weiter gezeigte Verklinkung arretiert wird, wird die axiale Verschiebung der Vakuumschaltkammer (1) in Richtung des feststehenden Schaltkontaktes (13), dessen zugehöriger feststehender Schaltstift (12) fest mit der oberen feststehenden Führungsplatte (34) in Verbindung steht, durch die axiale Verschiebung in der zylindrischen Verlängerung (32) der unteren, feststehenden Führungsplatte (28) einerseits und in der zylindrischen Verlängerung (33) der oberen, feststehenden Führungsplatte (34) erreicht. Das im Raum (36) über die Steuerbohrungen (35) eingebrachte Gas dient dabei als Polster, so daß die axiale Bewegung der Vakuumschaltkammer (1) prellfrei abgebremst wird.

Damit ragen nach Abschluß des Ausschaltvorganges - wie Fig. 2 zeigt - die das Isolationsvermögen gewährleistende Potentialringe (11; 16) die ein elektrisches Feld geringer Inhomogenität bilden, über die nach einem Schaltvorgang heißen Schaltkontakte (8; 13), die aus einem Cu/Cr Sinterwerkstoff bestehen und mit das den Ausschaltstrom umgebende Magnetfeld verstärkenden, jedoch ebenfalls nicht weiter dargestellten Ausnehmungen versehen sind, hinaus und bestimmen somit im wesentlichen vollständig das elektrische Feld im gesamten axialen Kontaktsystem. Somit bestimmen also die Potentialringe (11; 16) mit ihren kalten und glatten Oberflächen die Durchschlagfestigkeit in der Ausschaltstellung des Hochspannungsvakuumschalters, während die z. T. heißen und durch den Schaltlichtbogen erzeugten rauhen Oberflächen der Schaltkontakte (8; 13) ihren Einfluß auf die Durchschlagfestigkeit verlieren.

Soll der Hochspannungsvakuumschalter eingeschaltet werden, also von der aus Fig. 2 ersichtlichen Schaltstellung in die aus Fig. 1 erkennbare Schaltstellung gebracht werden, so erhält der bewegliche Schaltstift über das Gelenk durch einen äußeren Energiespeicher des Schalterantriebes als auch durch die gespannten Druckfedern (25) einen Impuls. Dabei wird nicht nur der bewegliche Schaltstift (3) mit dem beweglichen Schaltkontakt (8) sondern die gesamte Vakuumschaltkammer (1) in Richtung des feststehenden Schaltkontaktes (13) bewegt. Das bedeutet, daß nunmehr eine Hubfolge durchgeführt wird, die sich der Reihe nach aus den Funktionsstufen H₃, H₂ und H₁ ergibt, und zwar wie sie bei der Durchführung eines Ausschaltvorganges ablaufen, jedoch in umgekehrter Reihenfolge. Nach Beendigung der Funktionsstufe H₁ ist auch der Einschaltvorgang abgeschlossen.

Bezugszeichenliste

(1) Vakuumschaltkammer
(2) Anschluß für Gelenk
(3) beweglicher Schaltstift
(4) evakuierter Raum
(5) Kondensatschirm
(6) Isolierzylinder
(7) Isolierzylinder
(8) beweglicher Schaltkontakt
(9) Metallfaltenbalg
(10) Schirm
(11) Potentialring
(12) feststehender Schaltstift
(13) feststehender Schaltkontakt
(14) Metallfaltenbalg
(15) Schirm
(16) Potentialring
(17) Boden
(18) Platte
(19) Armierung
(20) Ausnehmungen
(21) Raum
(22) Raum
(23) als Anschlag dienender Ring
(24) Armierung
(25) Druckfedern
(26) Ausnehmungen
(27) Ausnehmungen
(28) feststehende Führungsplane
(29) Raum
(30) Steuerbohrungen
(31) äußerer Gasraum
(32) zylindrische Verlängerung
(33) zylindrische Verlängerung
(34) feststehende Führungsplatte
(35) Steuerbohrungen
(36) Raum
(37) Armierung
(38) Armierung
(39) Isolierzylinder
(40) Steckkontakt
(41) Steckkontakt
H Kontakthub
H₁ erste Funktionsstufe = Schaltstufe
H₂ zweite Funktionsstufe = erste Stufe des Isolierhubes
H₃ dritte Funktionsstufe = zweite Stufe des Isolierhubes.

Claims (19)

1. Hochspannungsvakuumschalter, dessen Vakuumschaltkammer an ihrem äußeren Umfang durch einen Kondensatschirm begrenzt ist, an den sich stirnseitig je ein Isolierzylinder anschließt, von denen der eine Isolierzylinder zentrisch den feststehenden Schaltstift mit dem zugehörigen Schaltkontakt und der andere Isolierzylinder zentrisch den beweglichen Schaltstift mit dem zugehörigen Schaltkontakt aufnimmt, wobei mit dem beweglichen Schaltstift ein den Schalthub ermöglichender, die Vakuumschaltkammer vakuumdicht abschließender Metallfaltenbalg in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakthub H aus drei Funktionsstufen besteht und zwar aus dem Schalthub als erste Funktionsstufe H₁ und aus einem aus zwei Stufen bestehenden Isolierhub, indem zunächst der Schalthub durch den beweglichen Schaltstift (3) und damit durch den zugehörigen beweglichen Schaltkontakt (8) ausführbar ist, an den sich zeitlich die erste Stufe des Isolierhubes als zweite Funktionsstufe H₂ anschließt, indem der bewegliche Schaltkontakt (8) in Richtung eines den beweglichen Schaltstift (3) konzentrisch umgebenden Potentialringes (11) solange verschiebbar ist, bis der bewegliche Schaltkontakt (8) sich im Feldschatten des Potentialringes (11) befindet, und die zweite Stufe des Isolierhubes als dritte Funktionsstufe H₃ durch Eintreten des feststehenden Schaltkontaktes (13) in den Feldschatten eines den feststehenden Schaltstift (12) konzentrisch umgebenden Potentialringes (16) durchführbar ist, der dabei mit der gesamten Vakuumschaltkammer (1) durch einen am beweglichen Schaltstift (3) angeordneten als Anschlag dienender Ring (23) solange mitnehmbar ist, bis auch der feststehende Schaltkontakt (13) sich im Feldschatten des Potentialringes (16) befindet.

2. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumschaltkammer (1) und damit auch der den feststehenden Schaltstift (12) konzentrisch umgebende Potentialring (16) durch Anliegen des als Anschlag dienenden Ringes (23) am Boden (17) der Armierung (24) des unteren mit dem Kondensatschirm (5) in Verbindung stehenden Isolierzylinder (7) der Vakuumschaltkammer (1) gegen die Kraft von Druckfedern (25) axial verschiebbar ist, wobei die Armierung (19) des oberen mit dem Kondensatschirm (5) in Verbindung stehenden Isolierzylinders (6) axial verschiebbar in einer oberen zylindrischen Verlängerung (33) einer feststehenden Führungsplatte (33) der Vakuumschaltkammer (1) angeordnet ist.

3. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfedern (25) in gleichmäßig am Umfang des Bodens (17) der Vakuumschaltkammer (1) verteilt angeordnete Ausnehmungen (26) eingreifen, wobei die Druckfedern (25) auf der dem Boden (27) der Vakuumschaltkammer (1) gegenüberliegenden Seite von Ausnehmungen (26) einer unteren feststehenden Führungsplatte (28) der Vakuumschaltkammer (1) geführt wird.

4. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (36) zwischen der oberen feststehenden Führungsplatte (34) und der oberen, die Vakuumschaltkammer (1) begrenzenden Platte (18) der Armierung (19) des oberen mit dem Kondensatschirm (5) in Verbindung stehenden Isolierzylinder (6) über Steuerbohrungen (35) am Umfang der zylindrischen Verlängerung (33) der feststehenden Führungsplatte (34) mit dem äußeren Gasraum (31) der Vakuumschaltkammer (1) in Verbindung steht.

5. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im Gasraum (31) SF₆ ist.

6. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (29) zwischen der unteren feststehenden Führungsplatte (28) und dem Boden (17) der Vakuumschaltkammer (1) über Steuerbohrungen (30) mit dem äußeren Gasraum (31) der Vakuumschaltkammer (1) in Verbindung steht, wobei die Steuerbohrungen (30) in eine zylindrische Verlängerung (32) der unteren feststehenden Führungsplatte (28) eingelassen sind.

7. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Schaltstift (12) kraftschlüssig mit der oberen feststehenden Führungsplatte (34) der Vakuumschaltkammer (1) in Verbindung steht.

8. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der bewegliche Schaltstift (3), als auch der feststehende Schaltstift (12) konzentrisch von je einem Metallfaltenbalg (9; 14) umgeben sind, wobei der den beweglichen Schaltstift (3) konzentrisch umgebende Metallfaltenbalg (9) einerseits am beweglichen Schaltkontakt (8) und andererseits am Boden (17) der Vakuumschaltkammer (1) befestigt ist, während der den feststehenden Schaltstift (12) konzentrisch umgebende Metallfaltenbalg (14) einerseits am feststehenden Schaltkontakt (13) und anderseits an der oberen, die Vakuumschaltkammer (1) begrenzende Platte (18) der Armierung (19) des oberen Isolierzylinder (6) befestigt ist.

9. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der den beweglichen Schaltstift (3) konzentrisch umgebende Metallfaltenbalg (9), als auch der den feststehende Schaltstift (12) konzentrisch umgebende Metallfaltenbalg (14) innerhalb des evakuierten Raumes (4) der Vakuumschaltkammer (1) angeordnet sind.

10. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der bewegliche Schaltstift (3), als auch der feststehende Schaltstift (12) als Rohre ausgebildet sind und an ihrem Umfang Ausnehmungen (20) besitzen, über die sie mit den Räumen (21; 22) zwischen den Metallfaltenbälgen (9; 14) und dem beweglichen sowie feststehenden Schaltstiften (3; 12) in Verbindung stehen.

11. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume (21; 22) zwischen den Metallfaltenbälgen (9; 14) und dem beweglichen sowie feststehenden Schaltstift (3; 12) über den beweglichen sowie feststehenden Schaltstift (3; 12) mit der freien Atmosphäre verbunden sind.

12. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume (21; 22) zwischen den Metallfaltenbälgen (9; 14) und dem beweglichen sowie feststehenden Schaltstift (3; 12) über den beweglichen sowie feststehenden Schaltstift (3; 12) mit einem Isoliergas, vorzugsweise SF₆ in Verbindung stehen.

13. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der den feststehenden Schaltstift (12) konzentrisch umgebende Potentialring (16) über einen diesen Schaltstift (12) konzentrisch umgebenden Schirm (15) an der oberen, die Vakuumschaltkammer (1), begrenzenden Platte (18) der Armierung (19) des oberen Isolierzylinder (6) galvanisch angelenkt ist, während der den beweglichen Schaltstift (3) konzentrisch umgebenden Potentialring (11) über einen diesen Schaltstift (3) konzentrisch umgebenden Schirm (10) am Boden (17) der Vakuum­ schaltkammer (1) galvanisch angelenkt ist, wobei sich beide Potentialringe (11; 16) axial gegenüberstehen und aus einem hochtemperaturschmelzendem Material bestehen.

14. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als hochtemperaturschmelzendes Material Chrom-Nickel-Stahl vorgesehen ist.

15. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im gespannten Zustand der Druckfedern (25) der Boden (17) der Vakuumschaltkammer (1) durch eine Verklinkung über einen von außen wirkenden Antrieb erreicht ist.

16. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die obere feststehende Führungsplatte (34), als auch die untere feststehende Führungsplatte (28) mit jeweils einer Armierung (37; 38) für den äußeren Gasraum (31) der Vakuumschaltkammer (1) koaxial begrenzenden Isolierzylinder (39) verbunden ist, wobei sowohl die obere als auch die untere Armierung (37; 38) mit die Kontaktierung mit Nachbarkomponenten vornehmenden Steckkontakten (40; 41) in Verbindung stehen.

17. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem beweglichen Schaltstift (3) kraftschlüssig ein Gelenk in Verbindung steht, an das eine mit dem Antrieb des Hochspannungsvakuumschalters in Wirkverbindung stehende Isolierstange eingreift.

18. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkontakte (8; 13) aus einem Cu/Cr Sinterwerkstoff bestehen.

19. Hochspannungsvakuumschalter nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkontakte (8; 13) mit das den Ausschaltstrom umgebende Magnetfeld verstärkenden Ausnehmungen versehen sind.