DE19711193A1 - Vakuumschaltkammer - Google Patents
VakuumschaltkammerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumschaltkammer gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Der durch solche Vakuumschaltkammern geleitete Strom fließt in axialer Richtung zu
einem beweglichen Kontakt und einem feststehenden Kontakt, die sich mit ihren
planparallelen Kontaktflächen berühren und im Hochvakuum eines annähernd zylin
drischen Gehäuses angeordnet sind. Jeder der beiden Kontakte ist mit einem strom
führenden Kontaktstab verbunden, dessen zweites Ende aus der Vakuumschaltkam
mer herausgeführt ist. Zum Abschalten des Stroms wird der bewegliche Kontakte mit
Hilfe eines Faltenbalgs von dem feststehenden Kontakt getrennt und in definiertem
Abstand von diesem positioniert. Die bis jetzt bekannten Vakuumschaltkammern
besitzen ein verhältnismäßig großes Bauvolumen. Ursache hierfür ist, daß weder der
bewegliche Kontakt noch der feststehende Kontakt zum Isolieren der Spannung im
ausgeschalteten Zustand feldoptimiert sind, so daß der Kontakthub und damit das
Volumen der Schaltkammer sehr groß auszubilden sind. Da alle Effekte sowohl bei
dem beweglichen Kontakt als auch bei dem feststehenden Kontakt in gleicher Weise
auftreten, wird nachfolgend nicht immer zwischen beiden Kontakten unterschieden.
Aus experimentellen Untersuchungen ist bekannt, daß der erforderliche Abstand zwi
schen dem feststehenden und dem beweglichen Kontakt im Bereich von Zentimetern
überproportional zur Spannung vergrößert wird, um die erforderlichen Durchschlags
pannungen zu halten, was insbesondere bei Vakuumschaltkammern für höhere
Spannungen zu einer baulichen Vergrößerung führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumschaltkammer der eingangs
genannten Art aufzuzeigen, deren Bauvolumen auch bei der Verwendung für höhere
Spannungen wesentlich kleiner ausgebildet werden kann, als bei bekannten Anord
nungen dieser Art.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Vakuumschaltkammer, welche für die Verwendung bei
hohen Spannungen vorgesehen ist, sind beide Kontakte feldoptimiert, so daß die
Feldverteilung innerhalb der Schaltkammer wesentlich verbessert und die Abmes
sungen der Schaltkammer gegenüber bekannten Einrichtungen dieser Art wesentlich
kleiner gewählt werden können. Bei der erfindungsgemäßen Vakuumschaltkammer
wird die Tatsache genutzt, daß für eine bestimmte Durchschlagswahrscheinlichkeit
zwischen Durchschlagspannung und Durchschlagsfeldstärke an der Oberfläche des
beweglichen Kontakts und des feststehenden Kontakts festzustellen ist, daß mit einer
hohen Durchschlagspannung eine niedrige Durchschlagsfeldstärke verbunden ist und
umgekehrt. Dieser Zusammenhang kann experimentell ermittelt werden, wobei sich
zeigt daß er zum einen von den Materialien bestimmt wird, welche für die Herstellung
der Kontakte verwendet werden, während er zum anderen von der Form der
Oberflächen mitbestimmt wird, welche die beiden Kontakte aufweisen. Hierbei ist zu
beachten, daß die mikroskopische Feldverteilung nicht berücksichtigt werden muß
da durch einen separaten Konditionierungsprozeß Mikroerhöhungen auf der Oberflä
che entfernt werden.
Hohe Steh- bzw. Durchschlagsspannungen werden erfindungsgemäß in der Schalt
kammer im ausgeschalteten Zustand dadurch erreicht, daß die planparallelen Kon
taktflächen der beiden Kontakte, zwischen denen die gesamte Spannung abfällt, na
hezu eben bzw. planparallel ausgebildet werden. Damit kann sich zwischen diesen
Bereichen der beiden Kontakte ein nahezu homogenes elektrisches Feld ausbilden.
Bei einer vorgegebenen Durchschlag- oder Stehspannung wird damit der notwendige
Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden planparallelen Kontaktflächen
des beweglichen Kontakts und des feststehenden Kontakts auf ein Minimum redu
ziert.
Um die Ausbildung einer stark überhöhten Feldstärke und eine damit verbundene,
erniedrigte Durchschlagspannung in den Randbereichen des beweglichen Kontakts
und des feststehenden Kontakts zu vermeiden, was bei den bekannten Anordnungen
auf Grund der geometrischen Form der beiden Kontakte der Fall ist, sind beide
Kontakte der erfindungsgemäßen Vakuumkammer mit speziell geformten Außenflä
chen versehen. Diese werden so gestaltet, daß davon ausgehende elektrische Feld
linien nicht auf der Oberfläche des gegenüberliegenden Kontakts, sondern bevorzugt
auf einem Mittelschirm enden, der den beweglichen Kontakt und den feststehenden
Kontakt umgibt und ein Zwischenpotential aufweist.
Werden, wie bei bekannten Vakuumschaltkammern dieser Art die Außenflächen, die
sich an die planparallelen Kontaktflächen der beiden Kontakte anschließen, geome
trisch ungünstig gestaltet, so tritt eine durch diese geometrische Form bedingte,
überhöhte Feldstärke auf. Wird die Spannung zwischen den beiden Kontakten er
höht, so tritt in diesen Fällen wegen der umgekehrten Proportionalität von Durch
schlagsfeldstärke und Durchschlagspannung der Durchschlag bereits bei vergleichs
weise niedrigen Spannungen auf. Um das zu vermeiden, werden die Außenflächen
der beiden Kontakte mit einer erfindungsgemäßen geometrischen Kontur versehen.
Die Außenflächen beider Kontakte sind im Anschluß an die planparallelen Kontaktflä
chen so geformt, daß die vom Bereich besonders erhöhter Feldstärke ausgehenden
Feldlinien nicht auf dem gegenüberliegenden Kontakt enden und dadurch die ge
samte Spannungsdifferenz überbrückt wird, sondern auf dem Mittelschirm, der ein
Zwischenpotential aufweist. Für den Durchschlag wird dadurch die zu der niedrigeren
Potentialdifferenz zwischen dem jeweiligen Kontakt und Mittelschirm gehörige Durch
schlagsfeldstärke wirksam, die deutlich erhöht ist.
Die gesamte Durchschlagspannung von in Reihe liegenden Funkenstrecken wird vom
Durchschlag der Teilfunkenstrecke mit der niedrigsten Durchschlagspannung be
stimmt. Das bedeutet in diesem Fall, daß nicht eine zur gesamten Spannung gehö
rende niedrigere Durchschlagsfeldstärke wirksam wird, sondern eine zur niedrigeren
Teilspannung gehörende, höhere Durchschlagsfeldstärke.
Für die Konstruktion der erfindungsgemäßen Vakuumschaltkammer hat der Sach
verhalt der spannungsabhängigen Durchschlagsfeldstärke die Konsequenz, daß die
elektrische Feldstärke im planparallelen Bereich des feststehenden Kontakts, der
über elektrische Feldlinien mit dem planparallelen Bereich des beweglichen Kontakts
verbunden ist und der vollen Spannung unterliegt kleiner gehalten werden muß, als
in den Bereichen der Kontakte, die über Feldlinien mit dem Mittelschirm verbunden
sind, wo nur ca. 55% bis 62% der Spannung zwischen den beiden Kontakten anlie
gen. Hierzu muß eine numerische Berechnung der elektrischen Felder in der gesam
ten Vakuumschaltkammer erfolgen, aus der die Verteilung der Oberflächenfeldstär
ken auf den beiden Kontakten und das Potential des Mittelschirms bestimmt werden.
Erfindungsgemäß werden für die Kontakte die Linien ermittelt, durch die ihre Außen
fläche, die sich zwischen ihrer planparallelen Kontaktfläche und ihrer ebenen mit dem
stromführenden Kontaktstab in Verbindung stehenden Fläche erstreckt, in die Berei
che unterteilt wird, von denen aus die Feldlinien zu einer Abschirmung am Deckel,
zum Mittelschirm bzw. zum gegenüberliegenden Kontakt verlaufen.
Als konstruktive Lösung dieses Problems ist die Außenfläche eines jeden Kontakts
zwischen seiner planparallelen Kontaktfläche und seiner mit dem stromführenden
Kontaktstab in Verbindung stehenden ebenen Fläche mit einer geometrisch abge
rundeten Form versehen. Diese Form ist in drei Abschnitte unterteilt, die knick- und
stufenlos ineinander übergehen. Dabei weist der unmittelbar an die planparallele
Kontaktfläche angrenzende erste Abschnitt eine konvexe Wölbung auf, die durch ei
nen Krümmungsradius R1 gekennzeichnet ist. Der direkt anschließende zweite Ab
schnitt hat eine konvexe Wölbung mit einem Krümmungsradius R2. Ein dritter Ab
schnitt mit einem Krümmungsradius R3 schließt sich unmittelbar an. Der dritte Ab
schnitt erstreckt sich bis zu der ebenen, mit dem stromführenden Kontaktstab in Ver
bindung stehenden Fläche des jeweiligen Kontakts. Bei allen Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Vakuumschaltkammer gilt immer R1 < R2 und R3 ≦ R2. Das Ver
hältnis der Krümmungsradien wird in Feldberechnungen so optimiert, daß der Über
gang von einer Wölbung zur nächsten immer die Feldlinienscheide darstellt. Damit
wird sichergestellt, daß die Feldlinien des zweiten Abschnittes nicht auf dem gegen
überliegenden Kontakt, sondern auf dem Mittelschirm enden, der ein Zwischenpoten
tial aufweist. Die von dem dritten Abschnitt ausgehenden Feldlinien enden teilweise
auf dem Mittelschirm und auf der Abschirmung, die dem Deckel der Va
kuumschaltkammer zugeordnet ist. Bei der numerischen Berechnung der elektrischen
Felder müssen alle Bauelemente in der Vakuumschaltkammer berücksichtigt werden.
Näherungsweise ergibt sich aus dieser Berechnung, daß der Radius R1 eine Länge
von 1 mm bis 6 mm aufweisen kann, während die Länge des Radius R2 0,5 mm bis
4 mm betragen kann. Für das Verhältnis von R1:R2 ergibt sich daraus ein Wert, der
zwischen 1,5 und 2 liegen kann. Die Länge des dritten Radius R3 kann zwischen
0,5 mm und 4 mm gewählt werden.
Bei diesen Optimierungen der oben beschriebenen Außenflächen der beiden Kon
takte handelt es sich um eine Optimierung auf abschnittsweise nahezu konstante
spannungsabhängige Oberflächenfeldstärken und nicht um die bekannte Optimierung
auf konstante Oberflächenfeldstärken gemäß dem Borda- oder Rogowski-Profil.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher er
läutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vakuumschaltkammer,
Fig. 2 die spannungsabhängige Durchschlagsfeldstärke der Vakuumschaltkammer
gemäß Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Vakuumschaltkammer 1 umfaßt im wesentlichen einen be
weglichen Kontakt 2 und einen feststehenden Kontakt 3, zwei stromführende Kon
taktstäbe 4 und 5, einen Faltenbalg 6, einen Mittelschirm 7, ein Gehäuse 8 und eine
Abschirmung 9. Die Vakuumschaltkammer 1 ist nach außen von dem zylinderförmi
gen Gehäuse 8 begrenzt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das
Gehäuse 8 durch zwei zylinderförmige hohle Rohre 8R gebildet. Diese sind an ihren
Stirnseiten so gegeneinander gesetzt und dauerhaft miteinander verbunden sind, daß
ihre Längsachsen in einer Geraden liegen. Die beiden Rohre 8R sind aus einem
elektrisch nicht leitenden Werkstoff gefertigt. Das Gehäuse 8 ist an seinen beiden
Stirnseiten 8S mit jeweils einem Verschlußelement 11 in Form eines Deckels aus
Metall vakuumdicht verschlossen ist. Das Innere des Gehäuses 8 dient als Schalt
kammer, in welcher der bewegliche Kontakt 2 und der feststehende Kontakt 3 ange
ordnet sind. Die Kontakte 2 und 3 sind als rotationssymmetrische Körper ausgebildet
und bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kupfer-Chrom gefertigt.
Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, nur die Kontaktflächen 2K und 3K aus
Kupfer-Chrom herzustellen, und den übrigen Teil der Kontakte 2 und 3 aus Kupfer zu
fertigen. Beide Kontakte 2 und 3 verfügen über je eine planparallele Kontaktfläche
2K, 3K. Die Kontakte 2 und 3 sind so innerhalb der Vakuumschaltkammer 1 installiert,
daß ihre Kontaktflächen 2K und 3K einander gegenüberliegen und ihre Symmetrie
achsen in einer Geraden mit der Längsachse der Vakuumschaltkammer 1 angeordnet
sind. Jeder der Kontakte 2, 3 weist auf der seiner planparallelen Kontaktfläche 2K, 3K
gegenüberliegenden Seite eine ebene Fläche 2E, 3E auf, die mit einem der stromfüh
renden Kontaktstäbe 4, 5 verbunden ist. Die beiden stromführenden Kontaktstäbe 4
und 5 sind zylinderförmig ausgebildet. Sie sind für die Stromzu- und -ableitung vorge
sehen und deshalb aus einem den elektrischen Strom sehr gut leitenden Werkstoff
gefertigt. Sie sind so installiert, daß ihre Längsachsen in einer Geraden mit der
Längsachse der Vakuumschaltkammer 1 liegen. Das zweite Ende eines jeden Kon
taktstabs 4, 5 ist vakuumdicht durch den Deckel 11 hindurch nach außen geführt. Der
an dem beweglichen Kontakt 2 befestigte stromführende Kontaktstab 4 ist mit dem
Faltenbalg 6 verbunden. Der Faltenbalg 6 ist innerhalb der Vakuumschaltkammer 1
angeordnet und im Bereich des Deckels 11 befestigt. Mit seiner Hilfe kann der strom
führende Kontaktstab 4 und damit auch der mit ihm verbundene Kontakt 2 in der
Längsachse der Vakuumschaltkammer 1 hin- und herbewegt werden. Die beiden
Kontakte 2 und 3 sind im mittleren Bereich der Vakuumschaltkammer 1 angeordnet.
Der Kontakt 2 kann so bewegt werden, daß seine planparallele Kontaktfläche 2K mit
der planparallelen Kontaktfläche 3K des feststehenden Kontakts 3 in Berührung ge
bracht und auch wieder davon trennt werden kann. Die beiden Kontakte 2 und 3 sind
von dem Mittelschirm 7 umgeben. Dieser ist als Hohlzylinder ausgebildet und an der
Verbindungsstelle der beiden Rohre 8R befestigt die das Gehäuse 8 bilden. Der
Durchmesser dieses Mittelschirms 7 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser
des Gehäuses 8. Die Verwendung eines solchen Mittelschirms 9 zum Auffangen von
Metalldampf, der sich beim Schaltvorgang durch das Trennen der beiden Kontakte 2
und 3 bildet, ist aus dem Stand der Technik bereits seit langem bekannt, und wird
deshalb hier nicht näher erläutert.
Erfindungswesentlich ist bei dieser Ausführungsform der Vakuumschaltkammer 1 die
spezielle geometrische Form der Außenfläche der beiden Kontakte 2 und 3, die
zwischen der planparallelen Kontaktfläche 2K, 3K und der ebenen Fläche 2E und 3E
liegt. An die planparallele Kontaktfläche 2K, 3K schließen sich drei Abschnitte 2A, 2B,
2C bzw. 3A, 3B, 3C an, wobei der dritte Abschnitt 2C, 3C dort endet, wo die ebene
Fläche 2E, 3E beginnt. Jeder der drei Abschnitte 2A, 2B, 2C bzw. 3A, 3B, 3C weist
eine konvexe Wölbung auf. Die Wölbungen dieser drei Abschnitte 2A, 2B, 2C bzw.
3A, 3B, 3C haben unterschiedliche Krümmungsradien R1, R2 und R3. Dennoch
gehen die aneinander grenzenden Abschnitte 2A und 2B sowie 2B und 2C bzw. 3A
und 3B sowie 3B und 3C knick- und stufenlos ineinander über. Die Größe der Krüm
mungsradien R1, R2 und R3 wird numerisch ermittelt. Dabei ergibt sich, daß R1 < R2
und R3 ≦ R2 ist. Der Radius R1 kann eine Länge von 1 mm bis 6 mm aufweisen, wäh
rend die Länge des Radius R2 0,5 mm bis 4 mm betragen kann. Für das Verhältnis
von R1:R2 ergibt sich daraus ein Wert, der zwischen 1,5 und 2 liegen kann. Die
Länge des dritten Radius R3 kann 0,5 mm bis 4 mm gewählt werden.
Die Stelle, welche für die Funktion der Kontakte 2 und 3 wesentlich ist, ist durch die
gepunktet dargestellte Linie 12 gekennzeichnet. Hier schließt sich der zweite Ab
schnitt 2B, 3B knick- und stufenlos an den ersten Abschnitt 2A, 3A an. Von dem
zweiten Abschnitt 2B, 3B an enden die von hier ausgehenden elektrischen Feldlinien
nicht mehr auf dem gegenüberliegenden Kontakt 2, 3, sondern auf dem Mittelschirm
7. Die gepunktet dargestellte Linie 13 markiert den Übergang vom zweiten Abschnitt
2B, 3B zum dritten Abschnitt 2C, 3C. Auch dieser Übergang erfolgt knick- und stufen
los. Die von dem dritten Abschnitt 2C, 3C ausgehenden elektrischen Feldlinien enden
teilweise auf dem Mittelschirm 7 und auf der Abschirmung 9, mit welcher jeder Deckel
11 der Vakuumschaltkammer 1 versehen ist.
Auf Grund der speziellen geometrischen Formgebung der Kontakte 2 und 3 werden
für die Ausbildung des Gehäuses 8 nur zwei Rohre 8R mit einer Gesamthöhe von
190 mm und einem Außendurchmesser von 140 mm benötigt. Die so gefertigte Vaku
umschaltkammer 1 ist für eine Betriebsspannung von 52 bis 72,5 kV ausgelegt. Um
die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vakuumschaltkammer 1 zu veranschauli
chen ist in Fig. 2 die spannungsabhängige Durchschlagsfeldstärke dieser Vakuum
schaltkammer 1 dargestellt.
Claims (4)
1. Vakuumschaltkammer mit einem nach außen begrenzenden Gehäuse (8),
innerhalb dessen ein feststehender und ein beweglicher Kontakt (2, 3) mit ihren plan
parallelen Kontaktflächen (2K, 3K) einander gegenüberliegend angeordnet und von
einem Mittelschirm (7) umgeben sind, wobei jeder Kontakt (2, 3) eine ebene Fläche
(2E, 3E) aufweist, die der planparallelen Kontaktfläche (2K, 3K) gegenüberliegt und
mit einem stromführenden Kontaktstab (4, 5) verbunden ist, dessen Längsachse in
der Längsachse des Gehäuses (8) verläuft und dessen zweites Ende nach außen ge
führt ist, und der Kontaktstab (4) des beweglichen Kontakts (2) mit einem Faltenbalg
(6) aus Metall verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche eines je
den Kontakts (2, 3) zwischen der planparallelen Kontaktfläche (2K, 3K) und der ebe
nen mit dem Kontaktstab (4, 5) verbundenen Fläche (2E, 3E) konvex gewölbt und in
mindestens zwei knick- und stufenlos ineinander übergehende Abschnitte (2A, 2B
bzw. 3A, 3B) mit unterschiedlich großen Krümmungsradien (R1 und R2) unterteilt ist.
2. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Außenfläche eines jeden Kontakts (2, 3) zwischen der planparallelen Kontaktfläche
(2K, 3K) und der ebenen mit dem Kontaktstab (4, 5) verbundenen Fläche (2E, 3E)
konvex gewölbt und in drei knick- und stufenlos ineinander übergehende Abschnitte
(2A, 2B, 2C bzw. 3A, 3B, 3C) mit unterschiedlich großen Krümmungsradien (R1, R2
und R3) unterteilt ist.
3. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 oder 2, daß der Krümmungsradius
(R1) des ersten Abschnitts (2A, 3A), von dem aus elektrische Feldlinien zum gegen
überliegenden Kontakt (2,3) verlaufen, größer ist als der Krümmungsradius (R2) des
zweiten Abschnitts (2B, 3B), von dem aus elektrische Feldlinien zu dem Mittelschirm
(7) verlaufen, und daß der Krümmungsradius (R3) des dritten Abschnitts (2C, 3C)
kleiner oder gleich dem Krümmungsradius (R2) des zweiten Abschnitts (2B, 3B) ist.
4. Vakuumschaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß der Krümmungsradius (R1) 1 mm bis 6 mm, der Krümmungsradius (R2)
0,5 mm bis 4 mm und der Krümmungsradius (R3) 0,5 mm bis 4 mm lang ist, und daß
das Verhältnis von R1:R2 einen Wert zwischen 1,5 und 2 aufweist und das Verhältnis
R2:R3 größer oder gleich 1 ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1997111193 DE19711193C2 (de) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | Vakuumschaltkammer |
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---|---|
DE (1) | DE19711193C2 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19856288A1 (de) * | 1998-12-07 | 2000-06-08 | Abb Patent Gmbh | Vakuumschaltkammer |
WO2003065527A1 (de) * | 2002-01-30 | 2003-08-07 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Schaltfunkenstrecke |
DE102010022267A1 (de) * | 2010-05-31 | 2011-12-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Kontaktscheibe für ein Vakuumschaltrohr |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4431067A1 (de) * | 1993-12-24 | 1995-06-29 | Abb Patent Gmbh | Vakuumschaltkammer |
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1997
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DE19711193C2 (de) | 2002-11-07 |
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