DE19955216A1 - Vakuumkammer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumkammer mit einem Isolierkörper aus Keramik, der an beiden Enden mittels eines ersten und eines zweiten Deckels vakuumdicht verschlossen ist, mit einem feststehenden Kontaktstück, das an einem den ersten Deckel durchgreifenden feststehenden Kontaktstengel befestigt ist, und mit einem beweglichen Kontaktstück, das an einem den zweiten Deckel durchgreifenden beweglichen Kontaktstengel befestigt ist, mit einem Faltenbalg, der zwischen dem zweiten Deckel und dem beweglichen Kontaktstück angeordnet ist, wobei ferner auf ein Stirnende des Isolierkörpers ein erster Zylinder aus Metall aufgesetzt und daran befestigt ist, daß am freien Ende der erste Deckel anschließt, der vom feststehenden Kontaktstengel durchgriffen ist, daß die Kontaktstelle im Bereich des metallischen Zylinders liegt und daß der Isolierkörper und der Zylinder von einer Umhüllung aus Isolierstoff, insbesondere aus Gießharz, umgeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumkammer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die bisher im Mittelspannungsbereich bekannt gewordenen Vakuumkammern werden in der Regel für das Ein- und Ausschalten von großen Strömen, beispielsweise im Kurzschlußfall, oder für das sehr häufige Schalten von Lastströmen eingesetzt, wobei letzteres mehrmals täglich stattfinden kann. Typisch sind Lebensdauern von 10.000 bis 30.000 Ausschaltungen mit Nennstrom; darüber hinaus müssen die Schaltkammern oder Vakuumkammern Nennströme dauernd führen und Kurzschlußströme einschalten können. Die Vakuumkammern sind weiter so gestaltet, daß sie beim Schalten auftre­ tenden Überspannungen und evtl. Überspannungen im Netz Stand halten.

Für den Einsatz in Lastschaltern, wie sie beispielsweise in Energieverteilungsnetzen eingesetzt werden, sind wesentlich geringere Schaltspielzahlen gefordert, beispiels­ weise 100 Ein- und Ausschaltungen des Nennstroms nach DIN VDE 0670, Teil 301. Für diesen Anwendungsfall sind die derzeit bekannten Vakuumschaltkammern hinsichtlich ihrer Lebensdauer deutlich überdimensioniert.

Weiterhin sind die Schirmsysteme bekannter Vakuumkammern aufgrund der geringeren zu erwartenden Menge von Metalldampf, der sich auf einem solchen Schirm nieder­ schlägt, wegen der geringen Anzahl von geforderten Schaltspielen und den vergleichs­ weisen niedrigen Lastströmen für den Einsatz in Lastschaltern ebenfalls überdimensio­ niert.

Bei den im Mittelspannungsbereich eingesetzten Lastschaltern, die nach dem Prinzip eines Kipprohr-Lasttrennschalters, vgl. US 3 825 789, arbeiten, sind die Schaltaufgaben Einschalten, Ausschalten und Trennen auf unterschiedliche Schaltstrecken verteilt. Diese Lasttrennschalter besitzen eine Hauptkontaktstelle, eine Löschkontaktstelle und eine Trennkontaktstelle.

Die Löschkontaktstelle muß bei diesem Schalterprinzip nicht den Strom dauernd führen, keine Kurzschlußströme einschalten, jedoch netzbedingten Überspannungen Stand halten. Die Löscheinrichtung muß lediglich Nennströme kurzzeitig tragen, alle Last­ ströme allein ausschalten und allen aus Schalthandlungen resultierenden Überspan­ nungen Stand halten.

Dadurch sind alle bisher bekannten Vakuumschaltkammern für den Einsatz als Lösch­ einrichtungen in Schaltern, die z. B. nach dem Kipprohr-Schaltprinzip arbeiten, hinsicht­ lich ihrer stromführenden Kontaktstengel und des Kontaktsystems überdimensioniert.

Es sind auch Vakuumschaltkammern mit reduzierten Abmessungen, z. B. in Vakuum­ schützen, bekannt geworden, die wegen ihrer wesentlich höheren Nenn-Schaltspiel­ zahlen (typisch: 1 Mio Schaltspiele) hinsichtlich ihres dafür dimensionierten Faltenbal­ ges und wegen der großen kumulierten Metalldampfmenge, die sich beim Schalten auf dem Schirm niederschlägt, bezüglich des Schirmsystems für den Einsatz als Löschein­ richtung in Lasttrennschaltern, die nach dem Kipprohr-Schaltprinzip arbeiten und we­ sentlich geringere Nenn-Schaltspielzahlen erfordern, überdimensioniert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumschaltkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Aufbaus sich an den Anforderungen für den Einsatz in Lastschaltern orientiert und alle Ausschaltvorgänge alleine übernimmt.

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

Die Erfindung besteht danach darin, daß auf ein Stirnende des Isolierkörpers ein erster Zylinder aus Metall aufgesetzt und daran befestigt ist, daß an dessen freiem Ende der erste Deckel anschließt, der vom feststehenden Kontaktstengel durchgriffen ist, daß die Kontaktstelle im Bereich des metallischen Zylinders liegt und daß der Isolierkörper und der Zylinder von einer Umhüllung aus Isolierstoff, insbesondere aus Gießharz, umge­ ben ist.

Bisher werden im Mittelspannungsbereich in der Regel Vakuumschaltkammern einge­ setzt, deren Isolierkörper aus Keramik eine Länge aufweist, die von der zu tragenden sog. Stehspannung im umgebenen Medium, meist Luft, bestimmt wird. Für das Aus­ schalten allein von Lastströmen in Energieverteilungsnetzen sind die schaltbedingten Überspannungen wesentlich geringer als die Stehspannung und es sind die notwendi­ gen Keramiklängen bezüglich ihren Abmessungen sowohl außen aber besonders auf der Vakuumseite, überdimensioniert und damit unwirtschaftlich.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird erreicht, daß der Schaltvorgang in ei­ nem im wesentlichen von Metall umhüllten Raum stattfindet, so daß sich der Metall­ dampf beim Schalten nicht oder nur unwesentlich auf den inneren Oberflächen des Iso­ lierkörpers niederschlägt. Die Verbindungen Vakuum-Keramik-Metall werden vom elek­ trischen Feld entlastet und der im Vakuum und in Luft befindliche Überschiagsweg kann mit seiner Länge umgekehrt proportional zur jeweilig spezifischen Überschlagsspan­ nung ausgeführt werden; die Potentialverteilung längs der äußeren Überschlagsstrecke wird dabei vergleichmäßigt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist nicht nur ein Zylinder, son­ dern sind zwei Zylinder an dem Isolierkörper befestigt und aufgrund der Umhüllung aus Isolierstoff, insbesondere aus Gießharz, kann die Länge der Keramikröhre wesentlich reduziert und die Schaltkammer somit kostengünstiger hergestellt werden.

Die Formgebung der Umhüllung bei der Erfindung in den Bereichen, die den Isolierkör­ per aus Keramik überragen, ergibt sich durch Verwendung des ersten Zylinders, der gleichzeitig Teil der Vakuumkammer ist. Durch eine entsprechende Formung des Bau­ teils kann die Vakuumkammer aus diesem Bauteil aufgebaut und zudem das elektri­ sche Feld in der Umhüllung gesteuert werden. Dies ist ein Aufbau nach dem bekannten Prinzip der vorgeschobenen Elektrode, mit dem Felderhöhungen an den Stirnflächen der Anordnung reduziert werden. Dadurch können zusätzliche Maßnahmen zur Feld­ steuerung unterbleiben.

Aufgrund der speziellen Ausgestaltung der beiden Zylinder wird eine Selbstzentrierung der Einzelteile der Schaltkammer ohne zusätzliche Bauteile möglich, was die Fertigung der Schaltkammer erleichtert.

Dadurch, daß sich die Kontaktstelle im Bereich des ersten Zylinders befindet und daß der Kragen am ersten Zylinder vorgesehen ist, kann auf den Einsatz von zusätzlichen Schirmblechen verzichtet werden, um eine Bedampfung der Keramikröhre zu verhin­ dern. Darüber hinaus führt eine solche Formgebung mit dem Kragen zusätzlich zu einer Entlastung der feldkritischen Verbindungen Keramikröhre-Metallblech-Vakuum.

Zwar ist aus dem AEG-Prospekt S1.02.01790 bereits bekannt geworden, die Schalt­ kontakte weit von der Keramikröhre entfernt anzuordnen. Jedoch ist ein Kbndensati­ onsschirm notwendig.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vaku­ umkammer, und

Fig. 2 und 3 Einzelheiten bei A und B.

Eine Vakuumkammer 10 besitzt einen Isolierkörper 11 aus Keramik, der an einem Ende mittels eines Deckels 12 verschlossen ist. Dieser Deckel 12 wird von einem feststehen­ den Kontaktstengel 13 durchgriffen und ist mittels einer Ausbördelung 14 mit dem Kon­ taktstengel 13 vakuumdicht und fest verbunden.

Am inneren Ende des Kontaktstengels befindet sich ein feststehendes Kontaktstück 15.

Der Deckel 12 ist an einem ersten Zylinder 16 befestigt, der an seinem isolierkörperab­ seitigen Ende einen radial nach außen weisenden Flanschrand 17 besitzt, auf dem der scheibenförmige Deckel 12 aufgesetzt und daran vakuumdicht fixiert ist. Der erste Zy­ linder 16 besitzt im Bereich des Isolierkörpers 11 eine radial nach innen verlaufende Stufung 18, an deren innerem Ende sich ein Kragen 19 anschließt, dessen Innen­ durchmesser bzw. Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Isolier­ körpers und demgemäß in den Isolierkörper hineinragt.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß zwischen der radial nach innen verlaufenden Stufung 18 und dem Kragen 19 eine kantige Abschrägung 20 in Form eines Kegelstumpfes an­ schließt, wobei zwischen der radialen Stufung und der Abschrägung 20 eine Kante 21 gebildet ist, die zur Zentrierung des ersten Zylinders 16 am Isolierkörper 11 dient. Die Verbindung zwischen dem Isolierkörper 11 und der Stufung 18 erfolgt mittels an sich bekannter Lötverfahren.

Am entgegengesetzten Ende des Isolierkörpers 11 ist ein zweiter Zylinder 22 befestigt, der an seinem isolierkörperseitigen Ende einen radial nach innen verlaufenden Bord 23 aufweist, der in Fig. 3 näher dargestellt ist. Dieser Bord 23 besitzt eine radial nach innen verlaufende Stufe 24, an die sich eine Kegelstumpfform 25 anschließt; an die Kegel­ stumpfform 25, die sich ins Innere des Isolierkörpers 11 hin verjüngt, schließt eine pa­ rallel zum Randbord 24 verlaufende Auflagefläche 26 an, auf der das ortsfeste Ende eines Faltenbalges 27 befestigt ist. Die Verbindung zwischen dem Randbord 24 und dem Isolierkörper 11 ist eine Lötverbindung.

Der zweite Zylinder 22 besitzt an seinem freien Ende einen radial nach außen verlau­ fenden Flansch 28, dessen Außendurchmesser dem Flansch 17 entspricht.

Der Übergang 29 von dem Randbord 24 zu dem Trägerabschnitt 26 dient zur Zentrie­ rung des zweiten Zylinders zum Isolierkörper 11.

Der Trägerabschnitt 26 besitzt eine Durchgangsöffnung 30, deren Außendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser eines beweglichen Kontaktstengels 31, der an seinem im Bereich des Flansches 28 befindlichen Ende mittels einer aufgebördelten Scheibe 32 fest verbunden ist; zwischen der aufgebördelten radialen Scheibe 32 und dem Trägerabschnitt 26 befindet sich der Faltenbalg 27. Im Inneren des Kontaktsten­ gels 31 schießt ein bewegliches Kontaktstück 33 an.

Man erkennt aus Fig. 1, daß das bewegliche Kontaktstück 33 und das feststehende Kontaktstück 15 deutlich in dem Bereich liegen, der von dem Isolierzylinder 16 umge­ ben ist.

Der Außendurchmesser der beiden Zylinder 16 und 23 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser des Isolierkörpers 11. Der Raum praktisch zwischen dem Flansch 17 und dem Flansch 28 ist von einer Umhüllung 34 aus Gießharz umgeben, wobei gleichzeitig das Gießharz die Umfangsränder der Flansche 17 und 28 überdeckt; der Außendurchmesser der Umhüllung 34 ist größer als der Außendurchmesser der Flan­ sche 17, 28.

Die Innenfläche des Zylinders 16 dient als Niederschlagfläche für bei einer Schalthand­ lung auftretenden Metalldampf, und der Kragen 19 hat eine Abschirmfunktion für die Innenfläche des Isolierzylinders.

Damit befindet sich das Kontaktsystem 15, 33 möglichst weit von der Keramikinnenflä­ che entfernt, wodurch die Bedampfung sehr gering ist. Durch eine Aufteilung der Funk­ tionen der Vakuumkammer Bewegen mit dem Faltenbalg und Schalten mit den Kon­ takten auf entgegengesetzte Enden des Isolierkörpers ergibt sich eine Schonung des Faltenbalges 27 vor dem Lichtbogeneinfluß und die vorgesehene Lage des Isolierkör­ pers im mittleren Bereich der axialen Ausdehnung der Vakuumkammer dient dazu, ei­ nen Aufbau nach dem Prinzip der vorgeschobenen Elektrode zu erreichen.

Aufgrund der abgeschrägten, trichterförmigen Konusform 20 bzw. 25 ist eine einfache Zentrierung möglich, so daß sich die Möglichkeit einer Fertigung der Vakuumkammer nach one-shot-brazing-Verfahren ergibt. Darüber hinaus erzeugen die Abschnitte 20 und 25 eine dielektrische Entlastung der kritischen Verbindung am Übergang Isolierkör­ per-Metallzylinder und Vakuum.

Der zweite Zylinder 22 schützt den Faltenbalg 27 vor äußeren Einwirkungen. Mit der Länge der Umhüllung 34 ergibt sich auch eine geforderte symmetrische Ausdehnung der durch die Umhüllung bewirkten Zusatzisolierung und eine optimale Steuerung des Feldes in dem Bereich der Schaltkammer, in dem die Länge des Faltenbalges der Länge des Zylinders 22 entspricht.

Claims (11)

1. Vakuumkammer mit einem Isolierkörper aus Keramik, der an beiden Enden mittels eines ersten und eines zweiten Deckels vakuumdicht verschlossen ist, mit einem feststehenden Kontaktstück, das an einem den ersten Deckel durchgreifenden festste­ henden Kontaktstengel befestigt ist, und mit einem beweglichen Kontaktstück, das an einem den zweiten Deckel durchgreifenden beweglichen Kontaktstengel befestigt ist, mit einem Faltenbalg, der zwischen dem zweiten Deckel und dem beweglichen Kon­ taktstück angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein Stirnende des Isolierkör­ pers ein erster Zylinder aus Metall aufgesetzt und daran befestigt ist, daß am freien Ende der erste Deckel anschließt, der vom feststehenden Kontaktstengel durchgriffen ist, daß die Kontaktstelle im Bereich des metallischen Zylinders liegt und daß der Iso­ lierkörper und der Zylinder von einer Umhüllung aus Isolierstoff, insbesondere aus Gießharz, umgeben ist.

2. Vakuumkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich am zum Isolierkörper zugewandten Ende des ersten Zylinders ein Kragen befindet, der wenig­ stens teilweise ins Innere des Isolierkörpers hineinragt.

3. Vakuumkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der entgegengesetzten Stirnseite des Isolierkörpers ein zweiter Zylin­ der aus Metall aufgesetzt und daran befestigt ist, und daß die Umhüllung auch den zweiten Zylinder umfaßt.

4. Vakuumkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zylinder an seinem isolierkörperseitigen Ende einen radial nach innen weisenden Bord aufweist, an dem das ortsfeste Ende des Faltenbalges fixiert ist.

5. Vakuumkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zweiten Zylinders der Länge des Faltenbalges entspricht.

6. Vakuumkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zylinder jeweils etwa genau so lang sind, wie der Isolierkörper.

7. Vakuumkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zylinder an ihren freien Enden radial nach außen ragende Flansche besitzen, deren Umfangsränder von der Umhüllung aus Isolierstoff überdeckt sind.

8. Vakuumkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhül­ lung die Umfangsränder überdeckt und einen Außendurchmesser der größer ist als der der Flansche, aufweist.

9. Vakuumkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Außendurchmesser der Zylinder etwa dem Außendurchmesser des Isolierkörpers entsprechen oder geringfügig größer sind.

10. Vakuumkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem außerhalb des Isolierstoffkörpers befindlichen Abschnitt des ersten Zylinders und dem Kragen eine radiale Stufung angeordnet ist, die auf der benachbarten Stirnfläche des Isolierkörpers befestigt ist.

11. Vakuumkammer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Zylinder mit seinem nach innen weisenden Bord auf der be­ nachbarten Stirnfläche des Isolierkörpers befestigt ist.