DE19711193C2 - Vakuumschaltkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumschaltkammer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Vakuumschaltkammer kommt beispielsweise in Leitungsschaltern zur Anwendung.

Aus der DE 44 31 067 A1 ist eine Vakuumschaltkammer mit einem Gehäuse bekannt, das aus zwei Gehäuseteilen zusammengesetzt ist. Im Hochvakuum des Gehäuses sind ein beweglicher Kontakt und ein feststehender Kontakt so angeordnet, dass sie sich mit ihren planparallelen Kontaktflächen berühren. Der durch die Vakuumschalt­ kammer geleitete Strom fließt in axialer Richtung von dem beweglichen zu dem feststehenden Kontakt. Zum Abschalten des Stroms wird der bewegliche Kontakte mit Hilfe eines Faltenbalgs von dem feststehenden Kontakt getrennt und in definiertem Abstand von diesem positioniert. Jeder der beiden Kontakte ist mit einem strom­ führenden Kontaktstab verbunden, der durch jeweils eine Öffnung im Boden eines der beiden Gehäuseteile nach außen geführt ist. Der Boden eines jeden Gehäuseteils ist radial nach innen gezogen, womit das Bauvolumen des Gehäuses verringert werden soll. Die Abmessungen dieser Vakuumschaltkammer sind dennoch sehr groß. 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. Aus experimentellen Untersuchungen ist bekannt, daß der erforderliche Abstand zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Kontakt im Bereich von Zentimetern überproportional zur Spannung vergrößert wird, um die erforderlichen Durchschlagspannungen zu halten, was insbesondere bei Vaku­ umschaltkammern 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 Kontakstab 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 Schaltkammer, in welcher der bewegliche Kontakt 2 und der feststehende Kontakt 3 ange­ ordnet sind. Die Kontakte 2 und 3 sind als rotationssymmetische 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 her bewegt 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 er läutert.

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 veranschaulichen 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 Kontakstab (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.