DE19625128A1 - Vakuumschaltkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumschaltkammer, die einen von einem Isolierzylinder aus Keramik, vorzugsweise Por­ zellan, umschlossenen Vakuumraum aufweist, wobei die untere und die obere Öffnung des Isolierzylinders mit einem Boden und einem Deckel vakuumdicht verschlossen sind und im mittleren Bereich des Bodens ein axial in Längsrichtung verschiebbarer Kontaktstift angeordnet ist, der an seinem unteren Ende mit einem Antrieb verbunden ist und an seinem oberen Ende im Vaku­ umraum mit einem Schaltkontaktstück mit einer oberen Stirnflä­ che versehen ist sowie im mittleren Bereich des Deckels axial zu dem Kontaktstift ein Gegenkontaktstift axial in Längsrich­ tung in dem Deckel verschiebbar angeordnet ist, wobei dessen unteres Ende im Vakuumraum mit einem Schaltkontaktstück mit einer unteren Stirnfläche versehen ist, wobei die untere Stirnfläche der oberen Stirnfläche des an dem Kontaktstift an­ geordneten Schaltkontaktstückes gegenüberliegend angeordnet ist und der Kontaktstift sowie der Gegenkontaktstift jeweils vakuumdicht gegenüber dem Vakuumraum von einem Metallfalten­ balg, der an dem Boden bzw. Deckel sowie an dem Schaltkontakt­ stück oder dem oberen Teil des Kontaktstiftes bzw. Gegenkon­ taktstift befestigt ist, umschlossen ist und im Bereich der Einschaltstellung und der Ausschaltstellung der Schaltkontakt­ stücke im wesentlichen konzentrisch zu diesen elektrisch wirk­ same Steuerschirme aus Metall angeordnet sind.

Es ist bekannt, Vakuumschalter sowohl als Leistungsschalter im Hochspannungsbereich als auch als Lastschalter im Bereich der Niederspannung einzusetzen. Die Lichtbogenlöschung innerhalb einer Vakuumschaltkammer eines Vakuumschalters unter Vakuum erfordert die Ausnutzung des den elektrischen Strom begleiten­ den Magnetfeldes. Die unter dem Einfluß des Magnetfeldes er­ zwungene Bewegung des Lichtbogens bedingt ebene Kontaktflä­ chen, was zu Stirnkontakten führt. Die Stirnkontakte sind zylinderförmige, äußerlich sehr massiv wirkende Schaltkontakt­ stücke mit Stirnflächen, wie sie beispielsweise durch die DE 39 00 684 A1 bekannt sind. Die Schaltkontaktstücke berühren sich vollständig mit ihrer kreisförmigen Stirnfläche unter der Einwirkung einer äußeren Kraft. Diese Kontaktkraft resultiert im wesentlichen aus der von einer dem äußeren Antrieb zugeord­ neten Feder aufgebrachten Kraft. Um die Stärke und Richtung des den Strom begleitenden Magnetfeldes zu beeinflussen, wei­ sen die Schaltkontaktstücke innere Ausnehmungen auf, die in Abhängigkeit ihrer Richtung ein axial es oder vertikales Ma­ gnetfeld induzieren.

Es ist bekannt, beispielsweise durch die DE 39 32 159 C2, daß der Vakuumraum der Vakuumschaltkammer durch einen zylindri­ schen Isoliermantel sowie nach oben und unten durch Deckel verschlossen ist. Der untere Stirnkontakt ist dabei an einem durch den unteren Deckel hindurchtretenden, in Längsrichtung axial verschiebbaren Kontaktbolzen angeordnet. Die Abdichtung des Vakuumraumes erfolgt durch einen, den Kontaktbolzen im Be­ reich des unteren Deckels umschließenden, Metallfaltenbalg. Der diesem beweglichen Stirnkontakt gegenüberstehende, feste Stirnkontakt ist ebenfalls an einem Kontaktbolzen angeordnet, der an dem oberen Deckel befestigt ist.

Der in Längsrichtung axial verschiebbare Stirnkontakt wird bei einem Einschaltvorgang mittels des Schalterantriebes durch die Kraft der Einschaltfeder in Richtung des feststehenden Stirn­ kontaktes mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,5 m/s bewegt. Beim Auftreffen des beweglichen Stirnkontaktes auf den fest­ stehenden Stirnkontakt kommt es zu einem Aufprall und dabei zu einem wiederholten Anschlagen mit einer dem Antriebssystem und der beweglichen Masse bestimmten Frequenz. Von diesem Aufprall gehen zwei unterschiedliche Wirkungen aus, die die Gesamtle­ bensdauer und damit das Niveau der Vakuumschaltkammer begren­ zen.

So verursacht der Aufprall mechanische Schwingungen, die den, den beweglichen Kontaktbolzen umgebenden, Metallfaltenbalg sehr stark beanspruchen. In dem dünnen Blech, aus dem der Me­ tallfaltenbalg besteht, treten dadurch nach einer relativ ge­ ringen Anzahl von Schaltspielen Risse auf. Diese Risse führen zu einem Zusammenbruch des Vakuums in der Vakuumschaltkammer. Das aber bedeutet, daß eine sichere Funktion des Vakuumschal­ ters, in dem die Vakuumschaltkammer eingesetzt ist, nur bis zu einer begrenzten Anzahl von Schaltspielen gewährleistet ist.

Durch den Aufprall des beweglichen Stirnkontaktes auf den feststehenden Stirnkontakt und das dadurch verursachte wieder­ holte Anschlagen kommt es bei dem Einschaltvorgang zu einer mehrfachen Ausbildung eines Einschaltlichtbogens. Dieses führt zu einer Überhitzung des Materials an den ebenen Kontaktflä­ chen und dadurch zu mehreren örtlichen Verschweißungen der Stirnkontakte. Bei dem Ausschaltvorgang reißen die verschweiß­ ten Stellen der Stirnkontakte durch die Kraft des Schalteran­ triebes auf. Die hierbei entstehenden scharfkantigen Spitzen vermindern die Homogenität des elektrischen Feldes an den Kon­ taktflächen der Stirnkontakte und damit die Durchschlagsspan­ nung zwischen den geöffneten Stirnkontakten erheblich.

Durch die DE 38 25 407 A1 ist eine Schaltkammer für Vakuum­ schalter bekannt, bei der die Dauerfestigkeit des Gehäuses der Schaltkammer gegenüber allen betriebsmäßig und in Störungsfäl­ len auftretenden Belastungen durch Schaltvorgänge erhöht wer­ den soll. Das Gehäuse ist dabei als ein Keramikrohr ausgebil­ det.

Zwischen dem Keramikrohr und dem, den Stirnkontakt tragenden, Kontaktbolzen ist ein Abschlußkörper vorgesehen, bei dem mit dem Keramikrohr ein plastisch verformbares Teil, z. B. in Form einer Platte aus weichem Cu, verbunden ist und an das sich ein elastisches Teil mit niedriger Federkonstante, z. B. in Form eines faltenbalgähnlichen Zylinders, anschließt, wobei letzte­ rer an dem Kontaktbolzen befestigt ist. Damit wird zwar er­ reicht, daß eine nahezu völlige Entkoppelung des Gehäuses ge­ genüber mechanischen Schwingungen des ortsfesten Kontaktes eintritt. Die mechanischen Schwingungen müssen jedoch von der, den Abschlußkörper bildenden, Platte sowie dem faltenbalgähn­ lichen Zylinder aufgenommen werden. Ein Aufprall auf den fest stehenden Stirnkontakt mit einem wiederholten Anschlagen wird dadurch nicht verhindert. Es besteht ein schneller Verschleiß der mechanisch beanspruchten Teile. Außerdem kommt es auch bei dieser Lösung zu einer mehrfachen Ausbildung eines Einschalt­ lichtbogens und damit zur Ausbildung von scharfkantigen Spit­ zen an den Kontaktflächen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumschalt­ kammer entsprechend dem Oberbegriff nach Anspruch 1 zu schaf­ fen, bei der beim Auftreffen des mit dem angetriebenen Kon­ taktstift verbundenen Schaltkontaktstückes auf das mit dem Gegenkontaktstift verbundene Schaltkontaktstück während des Einschaltvorganges gedämpft und damit ein wiederholtes An­ schlagen der Schaltkontaktstücke vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß über dem Deckel ein Gehäuse angeordnet ist, das einen mit Gas gefüllten Raum umschließt, in den der an seinem unteren Ende in der Va­ kuumschaltkammer mit dem oberen Schaltkontaktstück versehene Gegenkontaktstift durch den Deckel hindurch hineinragt, wobei an dem oberen Ende des Gegenkontaktstiftes in dem Gehäuse ein mit dem Gegenkontaktstift axial in Längsrichtung verschiebba­ rer Kolben angeordnet ist, der einen größeren Durchmesser als der Gegenkontaktstift aufweist, wobei der Kolben den Raum in dem Gehäuse in einen Kompressionsraum über dem Kolben und einen Raum unter dem Kolben unterteilt und diese gegeneinander abdichtet und dabei in dem Kolben eine oder mehrere Ausnehmun­ gen für einen steuerbaren Gasdurchtritt von einem Raum in den anderen angeordnet sind, wobei der Kolben während des Ein­ schaltvorganges des Vakuumschalters aus einer unteren Aus­ gangsstellung nach dem Auftreffen der Stirnfläche des unteren Schaltkontaktstückes auf die Stirnfläche des oberen Schaltkon­ taktstückes um eine vorbestimmte Hubbewegung gegen den sich in dem Kompressionsraum aufbauenden Gasdruck nach oben verschieb­ bar ist und während des Ausschaltvorganges nach dem Lösen der Stirnfläche des unteren Schaltkontaktstückes von der Stirnflä­ che des oberen Schaltkontaktstückes um die Hubbewegung nach unten in seine Ausgangsstellung absenkbar ist.

Hierdurch ist es möglich, beim Auftreffen des angetriebenen Schaltkontaktstückes auf das an den Gegenkontaktstift angeord­ nete Schaltkontaktstück ein mehrfaches Anschlagen der Stirn­ flächen aneinander zu vermeiden.

Die Ausnehmungen in dem Kolben für einen steuerbaren Gasdurch­ tritt können als eine oder mehrere vertikale Steuerbohrungen, die den Kompressionsraum direkt mit dem Raum unter dem Kolben verbinden, ausgebildet sein. Über die Steuerbohrungen ist der Gasdurchtritt und damit die Dämpfung einstellbar.

Eine vorteilhafte Ausbildung besteht darin, daß der Kolben eine zentrisch angeordnete Ausnehmung aufweist, in die unter Bildung eines Ringspaltes ein an dem oberen Boden des Gehäuses angeordneter Stößel eingreift, dessen Länge mindestens der Hubbewegung entspricht und der in den Gegenkontaktstift hin­ einragt, der rohrförmig ausgebildet ist, wobei der Innenraum des Gegenkontaktstiftes über obere Ausnehmungen in der Wandung des Gegenkontaktstiftes mit dem Raum unterhalb des Kolbens verbunden ist.

Hierbei kann der Stößel in seinem oberen, an den Boden des Ge­ häuses sich anschließenden Abschnitt zylinderförmig und in seinem unteren, dem Gegenkontaktstift zugewandten Abschnitt kegelförmig ausgebildet sein.

Vorzugsweise entspricht die Länge des unteren, kegelförmig ausgebildeten Abschnittes des Stößels der Länge der Anlaufpha­ se der Kompression im Kompressionsraum. Durch die sich bei der Einschaltbewegung verringerte Größe des Ringspaltes steigt der Druck in dem Kompressionsraum allmählich an, und es erfolgt eine zunehmende Dämpfung und damit die Vermeidung von Schwin­ gungen.

Um den Kolben in seiner unteren Ausgangsstellung zu fixieren, ist es zweckmäßig, daß an der Oberseite des den oberen Ab­ schluß der Vakuumschaltkammer bildenden Deckels, der von dem Gehäuse umschlossen ist, ein Anschlag angeordnet ist.

Der Anschlag kann dabei gleichzeitig als ein Stromabnehmer ausgebildet sein, der den Gegenkontaktstift konzentrisch um­ schließt.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist es möglich, daß der Kolben als ein Stufenkolben mit einem sich in dem unter dem Kolben befindlichen Raum des Gehäuses erstreckenden Kolbenteil ausgebildet ist, wobei die Breite der Wandung des Kolbenteiles dem Abstand zwischen dem Innendurchmesser des Gehäuseteiles und dem Außendurchmesser des Anschlages für den Kolben ent­ spricht und der Raum unter dem Kolben über eine vorbestimmte Hubhöhe des Kolbens durch den kreisringförmigen Kolbenteil ge­ genüber anderen Räumen abgedichtet ist.

Vorzugsweise beträgt die Hubhöhe, bei der der Raum unter dem Kolben gegenüber den anderen Räumen abgedichtet ist, 75% der Hubbewegung des Kolbens.

Eine zweckmäßige Ausführung der Erfindung besteht darin, daß der Raum unter dem Kolben über eine oder mehrere Ausnehmungen in der Wandung des Gehäuses mit der die Vakuumschaltkammer um­ gebenden Atmosphäre verbunden ist.

Zur Erzielung einer ausreichenden Abdichtung soll die Unter­ kante der Ausnehmung, über die der Raum unter dem Kolben mit der umgebenden Atmosphäre verbunden ist, einen Abstand von 75% der Hubbewegung des Kolbens zu der oberen Stirnseite des Deckels, die den unteren Boden des Raumes bildet, aufweisen. Um einen gleichbleibenden Druck zu erreichen, der wichtig für die Steuerung der dämpfenden Hubbewegung des Kolbens ist, ist es vorteilhaft, daß der über Ausnehmungen in der Wandung des Gehäuses mit der die Vakuumschaltkammer umgebenden Atmosphäre in Verbindung stehende Raum unter dem Kolben mit einem kleinen Gasraum zwischen dem rohrförmig ausgebildeten Gegenkontakt­ stift sowie dem, diesen konzentrisch umgebenden, Metallfalten­ balg über Ausnehmungen in der Wandung des Gegenkontaktstiftes verbunden ist.

Die Steuerung der Dämpfungsbewegung kann dadurch unterstützt werden, daß der Kontaktstift rohrförmig ausgebildet ist und sein Innenraum sowie der kleine Gasraum zwischen dem Kontakt­ stift und dem, diesen konzentrisch umgebenden, Metallfalten­ balg über Ausnehmungen mit der die Vakuumschaltkammer umgeben­ dem Atmosphäre verbunden ist.

Dabei kann die, die Vakuumschaltkammer umgebende, Atmosphäre Luft oder ein Isoliergas, vorzugsweise SF₆, sein.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die im Bereich der Einschaltstellung und der Ausschalt­ stellung der Schaltkontaktstücke im wesentlichen konzentrisch zu diesen angeordneten Steuerschirme an ihren in den Vakuum­ raum hineinragenden Enden Potentialringe aufweisen, wobei der obere Steuerschirm am Deckel, das Potential desselben tragend, elektrisch angelenkt ist und, sich in den Vakuumraum erstrec­ kend, einen nach unten offenen Raum umschließt, wobei in der unteren Ausgangsstellung des Kolbens das mit diesem über den Gegenkontaktstift verbundene Schaltkontaktstück mit seiner Stirnfläche zwischen dem Potentialring des oberen Steuerschir­ mes in der Ausschaltstellung liegt und nach der Hubbewegung des Kolbens in seine obere Stellung das Schaltkontaktstück in dem von dem oberen Steuerschirm umschlossenen Raum mit seiner Stirnfläche oberhalb des Potentialringes in der Einschaltstel­ lung liegt, wobei die Stirnfläche des an dem mit dem Antrieb verbundenen Kontaktstift angeordneten Schaltkontaktstückes an diesem anliegt und der untere Steuerschirm am Boden, das Po­ tential desselben tragend, elektrisch angelenkt ist, wobei in der Ausschaltstellung die Stirnfläche des angetriebenen Schaltkontaktstückes zwischen dem Potentialring des unteren Steuerschirmes liegt.

Weiterhin ist es möglich, daß der Kompressionsraum über dem Kolben teilweise mit einem Elastomer ausgefüllt ist.

Dabei kann das Elastomer an dem oberen Boden des Gehäuses mit einer klebenden Isolierschicht befestigt sein.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläu­ tert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 den Schnitt einer Vakuumschaltkammer in der Einschalt­ stellung,

Fig. 2 den Schnitt der Vakuumschaltkammer nach Fig. 1 in der Ausschaltstellung,

Fig. 3 den Schnitt des oberen Teiles der Vakuumschaltkammer in einer gegenüber der Fig. 1 geänderten Ausführungsform,

Fig. 4 den Schnitt des oberen Teiles der Vakuumschaltkammer in einer gegenüber Fig. 1 und Fig. 2 geänderten Ausfüh­ rungsform.

Wie Fig. 1 zeigt, ist ein Vakuumraum 1 einer Vakuumschaltkam­ mer 2 im wesentlichen durch einen aus Keramik, vorzugsweise Porzellan, bestehenden Isolierzylinder 3 sowie einen Boden 4 und einen Deckel 5 begrenzt. Die Verbindung zwischen dem Iso­ lierzylinder 3 sowie dem Boden 4 und dem Deckel 5 erfolgt über Armierungen 6; 7. Im mittleren Bereich des Bodens 4 ist ein axial in Längsrichtung verschiebbarer Kontaktstift 8 angeord­ net. An dem oberen Ende im Vakuumraum 1 ist der Kontaktstift 8 mit einem Schaltkontaktstück 14 mit einer oberen Stirnfläche 34 versehen. An seinem unteren Ende ist der Kontaktstift 8 in nicht dargestellter Weise mit dem Schalterantrieb des Vakuum­ schalters verbunden, der ihn in Längsrichtung axial in die Einschaltstellung bzw. die Ausschaltstellung verschiebt. Über elastische Kontaktelemente 9 ist der Kontaktstift 8 in dem Bo­ den 4 geführt und durch diese über eine Steckkontaktanordnung 10 mit anderen Schaltanlagenteilen elektrisch verbunden. Der verschiebbare Kontaktstift 8 ist rohrförmig ausgebildet und weist Ausnehmungen 11 auf.

Um den beweglichen Kontaktstift 8 ist ein Metallfaltenbalg 13 koaxial angeordnet. Das obere Ende des Metallfaltenbalges 13 ist zur vollen Ausnutzung der Länge vorzugsweise mit dem am oberen Ende des Kontaktstiftes 8 angeordneten Schaltkontaktstück 14 und sein unteres Ende mit dem Boden 4 vakuumdicht verbunden. Das obere Ende des Metallfaltenbalges 13 kann aber auch im Bereich des Schaltkontaktstückes 14 mit einer nicht dargestellten Metallscheibe verbunden sein, die zugleich am Kontaktstift 8 vakuumdicht befestigt ist. Der Metallfaltenbalg 13 dichtet den Vakuumraum 1 gegenüber dem beweglichen Kontakt­ stift 8 ab. Zwischen dem Metallfaltenbalg 13 und dem Kontakt­ stift 8 ist ein kleiner Gasraum 12 ausgebildet. Der kleine Gasraum 12 steht über die Ausnehmungen 11 in dem rohrförmigen Kontaktstift 8 mit der die Vakuumschaltkammer 2 umgebenden At­ mosphäre, die Luft oder ein Isoliergas, vorzugsweise SF₆, sein kann, in Verbindung. Damit wird von dem heißen, beweglichen Schaltkontaktstück 14 und dem Kontaktstift 8 die Wärme sowohl innerhalb als auch außerhalb abgeführt.

Im mittleren Bereich des Deckels 5 ist ein ebenfalls rohrför­ mig ausgebildeter, mit Ausnehmungen 15 versehener Gegenkon­ taktstift 16 axial zu dem Kontaktstift 8 gelagert. Das untere Ende des Gegenkontaktstiftes 16 ist in der Vakuumkammer 1 mit einem Schaltkontaktstück 19 mit einer unteren Stirnfläche 38, der Stirnfläche 34 des Schaltkontaktstückes 14 gegenüberlie­ gend, versehen. Um den Gegenkontaktstift 16 ist koaxial ein Metallfaltenbalg 18 angeordnet und in analoger Weise wie der Metallfaltenbalg 14 an dem Schaltkontaktstück 19 bzw. über ei­ ne nicht dargestellte Metallscheibe an dem Gegenkontaktstift 16 sowie an dem Deckel 5 vakuumdicht befestigt. Zwischen dem Metallfaltenbalg 18 und dem Gegenkontaktstift 16 ist ein klei­ ner Gasraum 17 ausgebildet. Der kleine Gasraum 17 steht über die Ausnehmungen 15 in dem rohrförmigen Gegenkontaktstift 16 ebenfalls mit der die Vakuumschaltkammer 2 umgebenden Atmo­ sphäre in Verbindung.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Gegenkontaktstift 16 in dem Deckel 5 axial verschiebbar gelagert. An seinem durch den Dec­ kel 5 nach oben aus der Vakuumschaltkammer 2 herausragenden Ende 20 ist ein Kolben 22 angeordnet. Der Durchmesser des Kol­ bens 22 ist größer als der Außendurchmesser des rohrförmigen Gegenkontaktstiftes 16. Über dem Deckel 5 ist ein den Kolben 22 umschließendes, vorzugsweise zylinderförmiges Gehäuse 23 mit einem oberen Boden 25 angeordnet. Der Kolben 22 unterteilt das Gehäuse 23, seitlich abdichtend, in einen Raum 27 unter­ halb des Kolbens 22 und in einen oberhalb des Kolbens 22 lie­ genden Kompressionsraum 24, dessen oberer Abschluß der Boden 25 des Gehäuses 23 bildet. Der Raum 27 und der Kompressions­ raum 24 sind über mindestens eine in den Kolben 22 angeordnete Steuerbohrung 21 miteinander verbunden. Der Raum 27 ist über Ausnehmungen 26 in der Seitenwand des Gehäuses 23 ebenfalls mit der die Vakuumschaltkammer 2 umgebenden Atmosphäre, die Luft oder ein Isoliergas, vorzugsweise SF₆ sein kann, verbun­ den. In dem oberen Ende 20 des rohrförmigen Gegenkontaktstif­ tes 16 können ebenfalls Ausnehmungen 15′ vorgesehen sein, über die dessen Innenraum mit dem Raum 27 und über diesen mit der äußeren Atmosphäre verbunden ist.

Die Stromübertragung von dem Gegenkontaktstift 16 zu einer am äußeren Umfang des zylinderförmigen Gehäuses 23 vorgesehenen Steckkontaktanordnung 28 erfolgt über elastische Kontaktele­ mente 29, die in dem Deckel 5 angeordnet sind. In dem Raum 27 unterhalb des Kolbens 22 ist ein Anschlag 31 angeordnet, der die Hubbewegung des Kolbens 22 und damit auch des Gegenkon­ taktstiftes 16 nach unten begrenzt.

Soll ein Einschaltvorgang des Vakuumschalters durchgeführt werden, so bewegt sich der axial verschiebbare Kontaktstift 8, der durch den nicht dargestellten Schalterantrieb betätigt wird, in Pfeilrichtung 32 nach oben, wobei die Einschaltung im elektrischen Sinn erreicht ist, wenn die Stirnflächen 34; 38 des unteren Schaltkontaktstückes 14 und des oberen Schaltkon­ taktstückes 19 sich berühren. Die Geschwindigkeit des unteren Kontaktstiftes 8 beträgt dabei etwa 1,5 m/s. Bei dem Anschlag des Schaltkontaktstückes 14 an das in seiner unteren Stellung befindliche Schaltkontaktstück 19 überträgt der Kontaktstift 8 die von dem Schalterantrieb ausgelöste Bewegungsenergie auf diese Weise auf den Gegenkontaktstift 16. Der Gegenkontakt­ stift 16 und das Schalterkontaktstück 19 werden nach oben ver­ schoben. Durch die Aufwärtsbewegung führt der Kolben 22 eine Hubbewegung 33 nach oben aus. Dabei wird das Gas in dem Kom­ pressionsraum 24 verdichtet und entweicht teilweise über die Steuerbohrungen 21 in den unteren Raum 27.

Mit zunehmender Verdichtung wirkt die Primärantriebskraft der aus der Verdichtung resultierenden Kraft, die exponential an­ wächst, entgegen. Nähert sich das Kompressionsvolumen im Kom­ pressionsraum 24 einem Wert gegen Null, überschreitet diese Kraft die Primärantriebskraft um ein Vielfaches, und das ge­ samte bewegte System kommt zum Stillstand.

Das in dem Kompressionsraum 24 befindliche dämpfende Gas, also Luft oder das Isoliergas, vorzugsweise SF₆, ist kompressibel, so daß keine schwingenden Rückstellkräfte auftreten. Es wird damit ein mehrfaches Anschlagen des Schaltkontaktstückes 14 an das Schaltkontaktstück 19 vermieden.

Über die Steuerbohrungen 21 ist der Kompressionsvorgang zeit­ lich steuerbar.

Der Kompressionsdruck innerhalb des Kompressionsraumes 24 baut sich nach Abschluß des Einschaltvorganges über die Steuerboh­ rungen 21 vollständig ab. Das Schaltkontaktstück 19 steht da­ mit in der Einschaltstellung ausschließlich unter der Feder­ kraft des um die Hubbewegung 33 zusammengedrückten Metall­ faltenbalges 18 und einem verbleibenden Überschuß der Primär­ antriebskraft.

In Fig. 1 ist weiterhin die Anordnung eines oberen Steuer­ schirmes 36 sowie eines unteren Steuerschirmes 40 gezeigt. Beide Steuerschirme 36; 40 bestehen aus einem hochschmelzenden Metall, wie einem nichtmagnetischen Stahl.

Der obere Steuerschirm 36 erstreckt sich von dem Deckel 5 nach unten in den Vakuumraum 1 und umschließt einen nach unten offenen Raum. Das untere Ende des Steuerschirmes 36 bildet einen oberen Potentialring 37, der einen kleinen, nach oben offenen Raum aufweist.

Gegenüber dem oberen Potentialring 37 ist in einem vorbestimm­ ten Abstand ein unterer Potentialring 39 angeordnet. Er bildet den oberen Endpunkt des unteren Steuerschirmes 40, der in gleichartiger Weise wie der obere Steuerschirm 36 ausgebildet ist. Der untere Steuerschirm 40 ist an dem Boden 4, das Poten­ tial desselben tragend, elektrisch angelenkt.

In der oberen Endstellung des Kolbens 22 befinden sich die an­ einander anliegenden Stirnflächen 34; 38 der Schaltkontakt­ stücke 14; 19 oberhalb des oberen Potentialringes 37 innerhalb des von dem oberen Steuerschirm 36 umschlossenen Raumes.

In Fig. 2 ist die Vakuumschaltkammer 2 in der Ausschaltstel­ lung des Vakuumschalters gezeigt. Zur Einnahme dieser Stellung wird durch den nicht dargestellten Schalterantrieb der untere Kontaktstift 8 in Pfeilrichtung 48 nach unten bewegt. Die Stirnfläche 34 des unteren Schaltkontaktstückes 14 wird da­ durch von der Stirnfläche 38 des oberen Schaltkontaktstückes 19 getrennt. Zwischen den beiden Stirnflächen 34; 38 entsteht ein Schaltlichtbogen. Dabei wird der Bewegungsvorgang des Kon­ taktstiftes 8, beispielsweise durch eine Kurvenscheibe des Schalterantriebes, so gesteuert, daß er bei einem Schalthub von etwa 10 mm kurzzeitig, und zwar ca. 10 Millisekunden, nahezu in seiner Stellung verharrt. In dieser Zeit wird der Schaltlichtbogen gelöscht, und das entstehende heiße Metall­ dampfplasma strömt radial aus dem Kontaktspalt zwischen den Stirnflächen 34; 38 und kann sich an der Innenseite des obe­ ren Steuerschirmes 36 niederschlagen, wobei in dem offenen Raum sich verwirbelnde Metalldämpfe aufgefangen werden.

Nach der Trennung der Schaltkontaktstücke 14; 19 voneinander ist das obere Schaltkontaktstück 19 nicht mehr von unten ge­ stützt. Auf das obere, im wesentlichen aus dem Schaltkontaktstück 19, dem Gegenkontaktstift 16, dem Kolben 22 sowie dem Metallfaltenbalg 18 bestehende Schaltteil wirkt dessen Eigen­ masse sowie die Federkraft des Metallfaltenbalges 18 ein, und es bewegt sich dadurch nach unten.

Durch die Abwärtsbewegung entsteht im Kompressionsraum 24 ein Unterdruck gegenüber dem unteren Raum 27. Die entstehende Druckdifferenz bremst die Abwärtsbewegung ab. Bei einem ent­ sprechend großen Durchmesser des Kolbens 22 erfolgt diese re­ lativ langsam. Der zeitliche Verlauf der Abwärtsbewegung ist dabei ebenfalls über die Größe der Steuerbohrungen 21 steuer­ bar.

In der unteren Endstellung liegt der Kolben 22 mit seiner un­ teren Fläche auf dem Anschlag 31 auf. Dadurch wird gleichzei­ tig die Ausschaltstellung des oberen Schaltkontaktstückes 19 fixiert.

In dieser Stellung befindet er sich mit seiner, von dem Schaltlichtbogen aufgerauhten Stirnfläche 38 hinter dem oberen Potentialring 37 des Steuerschirmes 36. Das untere Schaltkon­ taktstück 14 wird durch den Schalterantrieb über den Kontakt­ stift 8 ebenfalls nach unten in die Ausschaltstellung bewegt. In dieser Stellung befindet er sich ebenfalls mit seiner durch den Schaltlichtbogen aufgerauhten Stirnfläche 34 hinter dem unteren Potentialring 39 des Steuerschirmes 40. Damit üben die Schaltkontaktstücke 14; 19 mit ihren rauhen Stirnflächen 34; 38 keinen nennenswerten Einfluß auf die Form des elektrischen Feldes aus.

In Fig. 3 ist der obere Teil der Vakuumschaltkammer 2 in der Einschaltstellung nach Fig. 1 gezeigt. Der Aufbau derselben entspricht im wesentlichen auch dem vorstehend beschriebenen Aufbau derselben sowie deren Arbeitsweise. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach Fig. 1 ist zentrisch in dem Kolben 22 eine Ausnehmung 41 angeordnet. Durch die Ausnehmung 41 ragt ein Stößel 43 hindurch, der an dem oberen Boden 25 des zylin­ derförmigen Gehäuses 23 fest angeordnet ist. Zwischen dem Außendurchmesser des Stößels 43 und dem Durchmesser der Aus­ nehmung 41 ist ein Ringspalt 42 ausgebildet. Der obere, sich an den Boden 25 anschließende Abschnitt des Stößels 43 ist zy­ lindrisch und ein unterer, in den rohrförmig ausgebildeten Ge­ genkontaktstift 16 hineinragender unterer Abschnitt ist kegel­ förmig ausgebildet. Die Länge des kegelförmigen Abschnittes entspricht dabei der Anlaufphase der Kompression im Kompres­ sionsraum 24 des Gehäuses 23.

Beim Ausschaltvorgang wird durch den unteren kegelförmigen Ab­ schnitt des Stößels 43 gewährleistet, daß nach der, der Dauer des Schaltlichtbogens entsprechenden, Stagnationsphase eine beschleunigte Bewegung des Schaltkontaktstückes 19 in Aus­ schaltstellung erfolgt, bis dieser auf dem Anschlag 31 auf­ liegt.

Beim Einschaltvorgang verringert sich der Ringspalt 42 zwi­ schen dem Stößel 43 und der Ausnehmung 41 im Kolben 22 während der vertikalen Aufwärtsbewegung entlang des kegelförmig ausge­ bildeten Abschnitts immer mehr, bis der zylindrische Abschnitt des Stößels 43 erreicht ist. In diesem Bereich entspricht der Ringspalt 42 etwa der Fläche der Steuerbohrung 21, wie sie in Fig. 1 und 2 zur gesteuerten Dämpfung des Aufpralls des Schaltkontaktstückes 14 auf das Schaltkontaktstück 19 vorgese­ hen ist. Auf diese Weise steigt der Druck im Kompressionsraum 24 allmählich an, und es erfolgt die Dämpfung des Aufpralls, so daß ein mehrfaches Aneinanderanschlagen der Stirnflächen 34; 38 vermieden wird.

In der Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Dämpfungs­ einrichtung dargestellt. Dabei zeigt die linke Seite die Aus­ schaltstellung und die rechte Seite die Einschaltstellung der Vakuumschaltkammer 2. Der Kolben 22 ist bei dieser Ausfüh­ rungsform als ein Stufenkolben mit einem sich in dem unter dem Kolben befindlichen Raum 27 des Gehäuses 23 erstreckenden, kreisringförmigen Kolbenteil 44 ausgebildet. Die Breite der Wandung des Kolbenteiles 44 entspricht dem Abstand zwischen dem Innendurchmesser des Gehäuses 23 und dem Außendurchmesser des Anschlages 31 für den Kolben 22 in der Ausschaltstellung. Der Kolbenteil 44 ist gegenüber den Seitenwänden abgedichtet. Die Unterkante 46 der Ausnehmung 26, über die der Raum 27 mit der die Vakuumschaltkammer 2 umgebenden Atmosphäre verbunden ist, weist einen Abstand von 75% der Hubbewegung 33 des Kol­ bens 22 zu der oberen Stirnseite 47 des Deckels 5 auf, die gleichzeitig den unteren Boden des Raumes 27 bildet. Der An­ schlag 31 weist eine entsprechende Höhe auf.

In der Ausschaltstellung liegt der Kolben 22 auf dem Anschlag 31 auf und sein kreisringförmiger Kolbenteil 44 erstreckt sich bis annähernd zu der oberen Stirnseite 47 des Deckels 5. Die Ausnehmung 41 ist gegenüber dem Raum 27 abgedichtet. Durch den Anschlag 31 des unteren Schaltkontaktstückes 14 an das obere Schaltkontaktstück 19 beim Einschaltvorgang wird der Kolben 22 nach oben verschoben. Die Ausnehmung 26 ist auf einer Strecke von 75% der Hubbewegung 33 des Kompressionshubes durch den Kolbenteil 44 verschlossen, so daß in diesem Abschnitt ein Druckausgleich mit der umgebenden Atmosphäre nicht möglich ist.

In dem Raum 27 entsteht in der Anlaufphase ein Unterdruck. Da­ durch vergrößert sich die Druckdifferenz zwischen dem Raum 27 und dem Kompressionsraum 24. Dieses führt zu einer Erhöhung der dämpfenden Gegenkraft. Damit kann die Hubbewegung 33 ver­ ringert werden, wodurch sich die Länge des Metallfaltenbalges 18 verkürzt. Auf den restlichen 25% der Hubbewegung ist die Ausnehmung 26 durch den Kolbenteil 44 freigegeben. Der Kom­ pressionsraum 24 steht über den durch den Stößel 43 variierba­ ren Ringspalt 42 mit dem rohrförmigen Innenraum des Gegenkon­ taktstiftes 16 sowie dem kleinen Gasraum 17 in Verbindung.

Bei der Hubbewegung 33 aus der Einschaltstellung (rechte Seite Fig. 4) in der Ausschaltstellung (linke Seite Fig. 4) sinkt, wie vorstehend anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben, der Kolben 22 und mit ihm das Schaltkontaktstück 19 nach unten, bis die Ausschaltstellung erreicht ist.

In nicht dargestellter Weise kann die dämpfende Wirkung noch erhöht werden, indem der Kompressionsraum 24 teilweise mit einem Elastomer ausgefüllt ist. Dieses kann in Form einer Scheibe an dem oberen Boden 25 des Gehäuses 23 befestigt sein.

Claims (16)

1. Vakuumschaltkammer, die einen von einem Isolierzylinder aus Keramik, vorzugsweise Porzellan, umschlossenen Va­ kuumraum aufweist, wobei die untere und die obere Öffnung des Isolierzylinders mit einem Boden und einem Deckel vakuumdicht verschlossen sind und im mittleren Bereich des Bodens ein axial in Längsrichtung verschiebbarer Kontakt­ stift angeordnet ist, der an seinem unteren Ende mit einem Antrieb verbunden ist und an seinem oberen Ende im Vakuum­ raum mit einem Schaltkontaktstück mit einer oberen Stirn­ fläche versehen ist sowie im mittleren Bereich des Deckels axial zu dem Kontaktstift ein Gegenkontaktstift axial in Längsrichtung in dem Deckel verschiebbar angeordnet ist, wobei dessen unteres Ende im Vakuumraum mit einem Schalt­ kontaktstück mit einer unteren Stirnfläche versehen ist, wobei die untere Stirnfläche der oberen Stirnfläche des an dem Kontaktstift angeordneten Schaltkontaktstückes gegenüberliegend angeordnet ist und der Kontaktstift sowie der Gegenkontaktstift jeweils vakuumdicht gegenüber dem Vakuumraum von einem Metallfaltenbalg, der an dem Boden bzw. Deckel sowie an dem Schaltkontaktstück oder dem oberen Teil des Kontaktstiftes bzw. Gegenkontaktstift befestigt ist, umschlossen ist und im Bereich der Ein­ schaltstellung und der Ausschaltstellung der Schaltkon­ taktstücke im wesentlichen konzentrisch zu diesen elek­ trisch wirksame Steuerschirme aus Metall angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Deckel (5) ein Ge­ häuse (23) angeordnet ist, das einen mit Gas gefüllten Raum umschließt, in den der an seinem unteren Ende in der Vakuumschaltkammer (2) mit dem oberen Schaltkontakt­ stück (19) versehene Gegenkontaktstift (16) durch den Deckel (5) hindurch hineinragt, wobei an dem oberen Ende des Gegenkontaktstiftes (16) in dem Gehäuse (23) ein mit dem Gegenkontaktstift (16) axial in Längsrichtung ver­ schiebbarer Kolben (22) angeordnet ist, der einen größeren Durchmesser als der Gegenkontaktstift (16) aufweist, wo­ bei der Kolben (22) den Raum in dem Gehäuse (23) in einen Kompressionsraum (24) über den Kolben (22) und einen Raum (27) unter dem Kolben (22) unterteilt und diese gegeneinander abdichtet und dabei in dem Kolben (22) eine oder mehrere Ausnehmungen für einen steuerbaren Gas­ durchtritt von einem Raum (24; 27) in den anderen angeord­ net sind, wobei der Kolben (22) während des Einschaltvor­ ganges des Vakuumschalters aus einer unteren Ausgangs­ stellung nach dem Anschlagen der Stirnfläche (34) des unteren Schaltkontaktstückes (14) an die Stirnfläche (38) des oberen Schaltkontaktstückes (19) um eine vorbe­ stimmte Hubbewegung (33) gegen den sich in dem Kompres­ sionsraum (24) aufbauenden Gasdruck nach oben verschieb­ bar ist und während des Ausschaltvorganges nach dem Lösen der Stirnfläche (34) des unteren Schaltkontakt­ stückes (14) von der Stirnfläche (38) des oberen Schalt­ kontaktstückes (19) um die Hubbewegung (33) nach unten in seine Ausgangsstellung absenkbar ist.

2. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausnehmungen in dem Kolben (22) für einen steuerbaren Gasdurchtritt als eine oder mehrere vertikale Steuerbohrungen (21), die den Kompressionsraum (24) direkt mit dem Raum (27) unter dem Kolben (22) verbinden, ausge­ bildet sind.

3. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kolben (22) eine zentrisch angeordnete Aus­ nehmung (41) aufweist, in die unter Bildung eines Ring­ spaltes (42) ein an dem oberen Boden (25) des Gehäuses (23) angeordneter Stößel (43) eingreift, dessen Länge mindestens der Hubbewegung (33) entspricht und der in den Gegenkontaktstift (16) hineinragt, der rohrförmig aus­ gebildet ist, wobei der Innenraum des Gegenkontaktstiftes (16) über obere Ausnehmungen (15′) in der Wandung des Gegenkontaktstiftes (16) mit dem Raum (27) unterhalb des Kolbens (22) verbunden ist.

4. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stößel (43) in seinem oberen, an den Boden (25) des Gehäuses (23) sich anschließenden Abschnitt zy­ linderförmig und in seinem unteren, dem Gegenkontaktstift (16) zugewandten Abschnitt kegelförmig ausgebildet ist.

5. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Länge des unteren, kegelförmig ausge­ bildeten Abschnittes des Stößels (43) der Länge der An­ laufphase der Kompression im Kompressionsraum (24) ent­ spricht.

6. Vakuumschaltkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberseite des den oberen Abschluß der Vakuumschaltkammer (2) bil­ denden Deckels (5), der von dem Gehäuse (23) umschlossen ist, ein Anschlag (31) angeordnet ist, auf dem der Kolben (22) in seiner unteren Ausgangsstellung aufliegt.

7. Vakuumschaltkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (22) als ein Stufenkolben mit einem sich in den unter dem Kolben (22) befindlichen Raum (27) des Gehäuses (23) erstrec­ kenden, kreisringförmigen Kolbenteil (44) ausgebildet ist, wobei die Breite der Wandung des Kolbenteiles (44) dem Ab­ stand zwischen dem Innendurchmesser des Gehäuseteiles (23) und dem Außendurchmesser des Anschlages (31) für den Kol­ ben (22) entspricht und der Raum (27) unter dem Kolben (22) über eine vorbestimmte Hubhöhe des Kolbens (22) durch den kreisringförmigen Kolbenteil (44) gegenüber anderen Räumen abgedichtet ist.

8. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hubhöhe, bei der der Raum (27) unter dem Kolben (22) gegenüber anderen Räumen abgedichtet ist, 75% der Hubbewegung (33) des Kolbens (22) beträgt.

9. Vakuumschaltkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (27) unter dem Kolben (22) über eine oder mehrere Ausnehmungen (26) in der Wandung des Gehäuses (23) mit der die Vakuumschalt­ kammer (2) umgebenden Atmosphäre verbunden ist.

10. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Unterkante (46) der Ausnehmung (26), über die der Raum (27) unter dem Kolben (22) verbunden ist, einen Abstand von 75% der Hubbewegung (33) des Kolbens (22) zu der oberen Stirnseite (47) des Deckels (5), die den unteren Boden des Raumes (27) bildet, aufweist.

11. Vakuumschaltkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der über Ausnehmun­ gen (26) in der Wandung des Gehäuses (23) mit der die Vakuumschaltkammer (2) umgebenden Atmosphäre in Verbin­ dung stehende Raum (27) unter dem Kolben (22) mit einem kleinen Gasraum (35) zwischen dem rohrförmig ausgebil­ deten Gegenkontaktstift (16) sowie dem, diesen konzen­ trisch umgebenden, Metallfaltenbalg (18) über Ausneh­ mungen (15; 15′) in der Wandung des Gegenkontaktstiftes (16) verbunden ist.

12. Vakuumschaltkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktstift (8) rohrförmig ausgebildet ist und sein Innenraum sowie der kleine Gasraum (12) zwischen dem Kontaktstift (8) und dem, diesen konzentrisch umgebenden, Metallfalten­ balg (13) über Ausnehmungen (11) mit der die Vakuum­ schaltkammer (2) umgebenden Atmosphäre verbunden ist.

13. Vakuumschaltkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die, die Vakuum­ schaltkammer (2) umgebende, Atmosphäre Luft oder ein Iso­ liergas, vorzugsweise SF₆, ist.

14. Vakuumschaltkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die im Bereich der Einschaltstellung und der Ausschaltstellung der Schalt­ kontaktstücke (14; 19) im wesentlichen konzentrisch zu diesen angeordneten Steuerschirme (36; 40) an ihren in den Vakuumraum (1) hineinragenden Enden Potentialringe (37; 39) aufweisen, wobei der obere Steuerschirm (36) am Deckel (5), das Potential desselben tragend, elektrisch angelenkt ist und, sich in den Vakuumraum (1) erstreckend, einen nach unten offenen Raum umschließt, wobei in der unteren Ausgangsstellung des Kolbens (22) das mit diesen über den Gegenkontaktstift (16) verbundene Schaltkontakt­ stück (19) mit seiner Stirnfläche (38) zwischen dem Po­ tentialring (37) des oberen Steuerschirmes (36) in der Ausschaltstellung liegt und nach der Hubbewegung (33) des Kolbens (22) in seine obere Stellung das Schaltkontakt­ stück (19) in dem von dem oberen Steuerschirm (36) um­ schlossenen Raum mit seiner Stirnfläche (38) oberhalb des Potentialringes in der Einschaltstellung liegt, wobei die Stirnfläche (34) des an dem mit dem Antrieb verbun­ denen Kontaktstift (8) angeordneten Schaltkontaktstüc­ kes (14) an diesem anliegt und der untere Steuerschirm (40) am Boden (4), das Potential desselben tragend, elek­ trisch angelenkt ist, wobei in der Ausschaltstellung die Stirnfläche (34) des angetriebenen Schaltkontaktstückes (14) zwischen dem Potentialring (39) des unteren Steuer­ schirmes (40) liegt.

15. Vakuumschaltkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressions­ raum (24) über dem Kolben (22) teilweise mit einem Ela­ stomer ausgefüllt ist.

16. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß das Elastomer an dem oberen Boden (25) des Ge­ häuses (23) mit einer klebenden Isolierschicht befestigt ist.