DE19856288A1

DE19856288A1 - Vakuumschaltkammer

Info

Publication number: DE19856288A1
Application number: DE1998156288
Authority: DE
Inventors: Bertil Moritz; Holger Ketterer; Helmut Boehme; Johannes Kaumanns
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1998-12-07
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 2000-06-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumkammer mit wenigstens einem stirnseitig mit je einem Metalldeckel (19, 20) vakuumdicht verschlossenen Isolierkörper (17, 18), mit einem mit dem einen Deckel (19) fest verbundenen stabartigen Kontaktträger (13) für das feste Kontaktstück (12) und einem stabartigen Kontaktträger (15) für das bewegliche Kontaktstück (14), der unter Zwischenfügung eines Faltenbalges vakuumdicht mit dem anderen Deckel verbunden ist, und mit wenigstens einem innerhalb des Isolierkörpers (17, 21) befindlichen Schirm (27, 28), von denen einer (21) die aus festen (12) und dem beweglichen Kontaktstück (14) bestehende Kontaktstelle konzentrisch umgibt. Zur Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes sind drei und mehr Schirme (21, 27, 28) vorgesehen, von denen ein erster (21) radial außen und die anderen sich teilweise innerhalb des ersten Schirmes befinden, wobei aufeinanderzu weisende Stirnenden (37, 38) einen Abstand voneinander einnehmen, daß die sich überlappenden Bereiche etwa parallel zueinander verlaufen, dergestalt, daß eine etwa lineare Spannungsverteilung zwischen den Kontaktstücken (12, 14) unter Zwischenfügung der Schirme (21, 27, 28) entlang der Schirme entsteht. Die Strecken zwischen benachbarten Elektroden sind für diese Teilspannungen isoliert, und die Kontaktstück- und Schirmränder sind so gekrümmt, daß eine maximal zulässige Feldstärke nicht überschritten ist, wobei die zulässige Feldstärke auch von dem Material der Kontaktstücke und der Schirme ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltkammer nach dem Oberbegriff des Anspru ches 1.

Eine derartige Vakuumschaltkammer ist in großem Umfang an sich bekannt geworden. Die die Kontaktstelle bildenden Kontaktstücke besitzen eine kaum abgerundete Kante von der Kontaktfläche aus zum Kontaktstückrand, an der sich erhöhte Feldstärken ergeben.

Aus der DE 197 11 193.9 ist zu entnehmen, daß die Kontaktstücke einer Vakuum schaltkammer mit bestimmten Abrundungen versehen werden können, deren Effekt darin besteht, daß die von den äußeren Bereichen der Kontaktstücke ausgehenden Feldlinien auf einem Zwischenpotential enden, das durch den Schirm gebildet ist. Da durch wird die zulässige bzw. die Durchschlagfeldstärke erhöht, weil die Potentialdiffe renz zwischen dem Kontaktstück und dem dazwischen befindlichen Schirm kleiner ist als die Potentialdifferenz zwischen den beiden Kontaktstücken.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumkammer zu schaffen, bei der die Durch schlagsfestigkeit noch weiter erhöht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Danach sind drei und mehr Schirme innerhalb einer Vakuumkammer vorhanden, von denen ein erster radial außen und die anderen sich teilweise innerhalb des ersten Schirmes befinden, wobei die aufeinanderzu weisenden Stirnenden einen Abstand voneinander einnehmen und die anderen Schirme paarweise im wesentlichen den glei chen Durchmesser aufweisen. Dabei verlaufen die sich überlappenden Bereiche etwa parallel zueinander, dergestalt, daß eine lineare Spannungsverteilung entlang der ein zelnen Schirme entsteht. Zusätzlich sind die Elektroden- und Schirmränder so ge krümmt, daß eine maximal zulässige Feldstärke nicht überschritten ist.

Die sich umhüllenden bzw. gegenüberliegenden Flächen und zwar sowohl koaxiale zy lindrische Abschnitte als auch Umhüllungen der Schirmenden, anders ausgedrückt der Überdeckungsgrad der Schirme, sollen so groß wie möglich sein, um eine stabile li neare Spannungsverteilung zu erzielen, die von anwendungsbedingt äußeren geerde ten oder spannungsführenden Teilen praktisch nicht beeinflußt wird. Der Grad der Überdeckung ist dabei abhängig von dem axialen Abstand der miteinander fluchtenden Schirme, der von der Spannungsbelastung der Vakuumkammer abhängig ist.

Eine Verbesserung dieser Ausgestaltung kann dadurch erfolgen, daß gemäß An spruch 2 mehr als drei Schirme innerhalb der Vakuumkammer vorgesehen sind. Man kann sagen, daß die Anordnung um so besser gestaltet ist, je mehr Schirme innerhalb der Vakuumkammer vorgesehen sind.

Aus der Literaturstelle "Theoretic Research and Design on High Voltage Vacuum Inter rupters with Long Electrode Gap", 1996 IEEE XVIIth International Symposium on Dis charges and Electrical Insulation in Vacuum Berkeley - 1996, Seite 258, insbesondere Seite 260 ist bekannt, innerhalb einer Vakuumkammer zwei Schirme einzusetzen, von denen der eine konzentrisch innerhalb des anderen angeordnet ist und sich beide Schirme überlappen. Dadurch wird eine Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes erzeugt, wobei nicht näher angegeben wird, wie dies erreicht werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann eine Vakuumschaltkammer hergestellt werden, die für hohe Spannungen geeignet ist. Dabei ist die Durchschlagspannung um so höher, je mehr Elektroden vorgesehen werden, wodurch zwischen den Kontaktstü cken unter Zwischenfügung der Schirme eine lineare Spannungsverteilung auftritt. Dadurch, daß die Schirmkanten gekrümmt sind, wird auch die krümmungsbedingte er höhte Feldstärke eine zulässige Feldstärke nicht überschreiten. Bei Verwendung meh rerer Schirme werden die beim Stand der Technik vorgesehenen Spalte, zwischen de nen eine Spannung entsteht, in mehrere Trennspalte unterteilt, wodurch die Span nungsverteilung innerhalb der Vakuumkammer vergleichmäßigt wird und die Durch schlagsspannung damit vergrößert werden kann.

Man erzielt zwar eine gleichmäßige Spannungsverteilung zwischen den Schirmen in nerhalb der Kammer, unabhängig davon, welches der Kontaktstücke geerdet und wel ches an Spannung liegt. Durch die Abrundung der Kontakt- und Schirmränder wird er reicht, daß die gleichmäßige Spannungsverteilung zu einer etwa gleichen beanspru chenden Höchstfeldstärke an den Kontaktstück- und Schirmrändern führt. Falls mate rialbedingt unterschiedlich zulässige Feldstärken zu beachten sind, sind die Span nungsverteilung und elektrodenformbedingte Feldstärkebeanspruchungen so aufeinan der abzustimmen, daß die Verhältnisse von höchster Feldstärkenbeanspruchung und zulässiger Feldstärke an allen Stellung höchster Beanspruchung nahezu gleich sind. Durch die Gestaltung der Schirme und deren Lage zueinander wird erreicht, daß die von einer Stelle mit Höchstbeanspruchung ausgehende Feldlinie auf der benachbarten Elektrode, die z. B. ein Schirm sein kann, endet, um die durch die gleichmäßige Span nungsverteilung wirksam werdende geringe Potentialdifferenz für eine hohe zulässige Feldstärke an den Stellen mit Höchstbelastung (z. B. an den Schirmrändern) zu nutzen, wobei die zulässige Feldstärke um so höher ist, je geringer die Potentialdifferenz ist.

Anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, sollen die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen näher erläu tert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vakuumkammer mit drei die Kon taktstelle umgebenden Schirmen, und

Fig. 2 eine Anordnung mit mehr als drei Schirmen.

Eine Vakuumkammer 10, die in einem Kapselungsgehäuse 11 untergebracht ist, besitzt ein feststehendes Kontaktstück 12, welches an einem feststehenden Kontaktstengel 13 angebracht ist; dem festen Kontaktstück 12 gegenüber liegt ein bewegliches Kontakt stück 14, das an einer beweglichen Kontaktstange oder Kontaktstengel 15 befestigt ist. Die übrigen Komponenten, Faltenbalg etc., sind nicht näher dargestellt. Umgeben wird der Raum 16, in dem sich die Kontaktstelle befindet, von zwei Isolierzylindern 17, 18, die z. B. aus Keramik bestehen und jeweils mittels eines Deckels 19, 20 vakuumdicht verschlossen sind. Zwischen der Kontaktstange oder dem Kontaktstengel 15 und dem Deckel 20 befindet sich ein nicht näher dargestellter Faltenbalg.

Die Form der Kontaktstücke 12 und 14 entspricht der Form der in der DE 197 11 193.9 beschriebenen Vakuumkammer.

Zwischen den beiden Isolierzylindern 17, 18 befindet sich ein äußerer Schirm 21, der einen zylindrischen Abschnitt 21 und je einen daran anschließenden, konusförmig sich zum freien Ende hin verjüngenden Abschnitt 23, 24 anschließt. Die freien Enden 25 und 26 der konusförmig sich verjüngenden Abschnitte 23 und 24 sind mit Bögen abge rundet.

An den Isolierzylindern 17 und 18 angeschlossen sind zwei weitere Schirme 27, 28, die einen radialen Abschnitt 29, 30 aufweisen, der an der Innenseite der zylindrischen Iso lierkörper 17, 18 angeschlossen ist. Die radialen Abschnitte 29, 30 gehen über bogen förmige Abschnitte 31, 32 über in konusförmig sich in Richtung ihres Endes, welche Enden aufeinanderzu weisen, erweiternde Abschnitte 33, 34 über, wobei die Abschnitte 33, 34 den Abschnitten 23, 24 etwa parallel sind. An den Enden der Abschnitte 33 und 34 schließen zylindrische Abschnitte 35, 36 an, deren freie, aufeinanderzu weisende Enden wie die Enden 25 und 26 abgebogen sind. Die Enden besitzen die Bezugsziffern 37, 38.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Ausgestaltung liegt das feste Kontaktstück 12 auf Hochspannung, während das bewegliche Kontaktstück 14 auf Erdpotential, Null Volt liegt; ein Vertauschen der Potentialbelegung ändert an den isoliertechnischen Eigen schaften der Vakuumkammer nichts.

Die Feldlinien zwischen den Kontaktstücken 12 und 14 verlaufen innen so wie in der Anordnung der DE 197 11 193.9 dargestellt; die Feldlinien verlaufen weiterhin von den Rändern der Kontaktstücke 12 und 14 zu den Schirmen 27 und 28 und von dort zum Schirm 22. Mittels der drei Schirme 27, 21 und 28 wird zwischen dem Kontaktstück 12, dem Schirm 27, dem Schirm 21 und dem Schirm 28 und dem Kontaktstück 14 durch genügend große benachbarte Überdeckungsflächen sowohl eine ausreichend gleich mäßige Spannungsverteilung längs der vier Teilstrecken als auch durch die Krümmung der Kontaktstücke 12 und 14 sowie der Schirmenden 25, 26; 37, 38 eine niedrige Feld stärkebeanspruchung erreicht. Die Feldlinien, die von den Stellen höchster Beanspru chung ausgehen, enden mit Ausnahme derjenigen zwischen den Schirmenden 37 und 38 auf der benachbarten Elektrode mit geringer Potentialdifferenz. Die zulässigen Feldstärken an diesen am höchsten beanspruchten Stellen werden wie folgt von den Potentialdifferenzenmaterialien bestimmt:

- am Rande des Kontaktstückes 12:
von der Potentialdifferenz zu dem Kontaktstück 12 und dem Schirm 27 und vom Kontaktstückmaterial;
- am Schirm 27 mit den gekrümmten Schirmteilen 37 und 31:
von der Potentialdifferenz zwischem Kontaktstück 12 und dem Schirm 27 und vom Schirmmaterial;
- am Schirm 21 mit dem gekrümmten Schirmteil 25:
von der Potentialdifferenz zwischen dem Schirm 21 und dem Schirm 27 und vom Schirmmaterial;
- am Schirm 21 mit dem gekrümmten Schirmteil 24:
von der Potentialdifferenz zwischen den Schirmen 21 und 28 und vom Schirmmate rial;
- an den gekrümmten Schirmteilen 32 und 38 des Schirmes 28:
von der Potentialdifferenz zwischen dem Kontaktstück 14 und dem Schirm 28, und vom Schirmmaterial, und
- am Rande des Kontaktstückes 14:
von der Potentialdifferenz zwischen dem Kontaktstück 14 und dem Schirm 28 und vom Kontaktstückmaterial.

Eine Besonderheit dieses Beispieles ist die Isolierstrecke zwischen den Schirmen 27 und 28. Es stehen sich in der Kammermitte die Schirmränder 37 und 38 gegenüber, so daß die zu isolierende Potentialdifferenz und damit die Bezugsspannung für die zuläs sige Feldstärke die zwischen den Schirmen 27 und 28 ist, die die Summe aus den Po tentialdifferenzen zwischen den Schirmen 27 und 21 sowie 21 und 28 ist.

Im Bereich des Überganges zwischen den Deckeln 19 und 20 zu den Isolierkörpern 17 und 18 sind weitere Abschirmelektroden 39 und 40 vorgesehen, deren freies Ende ebenfalls so wie die Enden der anderen Schirme abgerundet sind.

Eine Verbesserung der Anordnung gemäß Fig. 1 ergibt sich dann, wenn mehr als drei Schirme vorgesehen sind. Man erkennt das feste Kontaktstück 12 und das bewegliche Kontaktstück 14, denen ein erster, außenliegender Schirm 41 zugeordnet ist, der mit seinen Enden ein erstes Schirmpaar 42, 43 überlappt, wobei das erste Schirmpaar 42, 43 innerhalb des ersten Schirmes 41 liegt. Das erste Schirmpaar 42, 43 überlappt ein zweites Schirmpaar 44, 45, dieses ein drittes Schirmpaar 46, 47, und dieses ein viertes Schirmpaar 48, 49. Mit den Deckeln 50, 51 verbunden ist ein fünftes Schirmpaar 52, 53. Die Schirmpaare 42, 43. . . liegen jeweils innerhalb der zugehörigen äußeren Schirme und überlappen diese teilweise, so daß sich die Abstände D₁, D₂, D₃, D₄, D₅ der einzelnen Schirme 42, 44, 46, 48, 52 von den zugehörigen Schirmen 43, 45, 47, 49, 53 jeweils vergrößern. Die aufeinanderzu weisenden Enden der einzelnen Schirme 42, 43. . . sind abgerundet und liegen auf einer Konusfläche.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist durch die konisch gestaffelte Anordnung von mehr als drei Schirmen mit großen, koaxial benachbarten Flächen erreicht worden, daß die Spannungsverteilung gleichmäßig und durch die Abrundungen der Schirmränder zur Steuerung der beanspruchenden Feldstärke und Anpassungen an die zulässige Feld stärke nur die Potentialdifferenz zu benachbarten Elektroden, d. h. zu benachbarten Schirmen zu berücksichtigen ist, mit Ausnahme der Schirmränder der von innen ge zählten vorletzten Schirme 42, 43, deren Ränder aufgrund der Isolierstrecke D₁ hin sichtlich der zulässigen Feldstärke für die doppelte Teilspannung zu bemessen und zu gestalten ist, wobei diese doppelte Teilspannung die Summe der Potentialdifferenzen zwischen den Schirmen 42 und 41 sowie 41 und 43 zu berücksichtigen hat.

Claims

1. Vakuumkammer mit wenigstens einem stirnseitig mit je einem Metalldeckel vakuumdicht verschlossenen Isolierkörper, mit einem mit dem einen Deckel fest ver bundenen stabartigen Kontaktträger für das feste Kontaktstück und einem stabartigen Kontaktträger für das bewegliche Kontaktstück, der unter Zwischenfügung eines Fal tenbalges vakuumdicht mit dem anderen Deckel verbunden ist, und mit wenigstens ei nem innerhalb des Isolierkörpers befindlichen Schirm, von denen einer die aus festen und beweglichen Kontaktstücken bestehende Kontaktstelle konzentrisch umgibt, da durch gekennzeichnet, daß drei und mehr Schirme (21, 27, 28) vorgesehen sind, von denen ein erster radial außen und die anderen sich teilweise innerhalb des ersten Schirmes befinden, wobei aufeinanderzu weisenden Stirnenden (37, 38) einen Abstand voneinander einnehmen, daß die sich überlappenden Bereiche etwa parallel zueinan der verlaufen, dergestalt, daß eine etwa lineare Spannungsverteilung zwischen den Kontaktstücken (12, 14) unter Zwischenfügung der Schirme entlang der Schirme ent steht, daß die Strecken zwischen benachbarten Elektroden nur für diese Teilspannun gen isoliert sind, und daß die Kontaktstück- und Schirmränder so gekrümmt sind, daß eine maximal zulässige Feldstärke nicht überschritten ist, wobei die zulässige Feld stärke auch von dem Material der Kontaktstücke und der Schirme beeinflußt ist.

2. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als drei Schirmen je zwei teilweise innerhalb des bzw. der jeweils äußeren Schirme auf einer Zylinderfläche liegen und somit zugehörige Schirmpaare bilden, der gestalt, daß die Schirme der radial innen liegenden Schirme jeweils einen größeren axialen Abstand voneinander haben, als die Schirme der jeweils äußeren Schirmpaare.

3. Vakuumkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufein anderzu weisenden Enden der einzelnen Schirme jedes Schirmpaares jeweils auf einer Konusfläche liegen, die sich zu den Enden der äußeren Schirme hin jeweils erweitern.

4. Vakuumkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Überdeckungsgrad der koaxial einander zugeordneten Schirme ab hängig von der Isolierstrecke zwischen den Schirmen, die den gleichen Radius aufwei sen, maximal und möglichst groß ist.