DE3347741A1

DE3347741A1 - Elektrischer vakuumschalter

Info

Publication number: DE3347741A1
Application number: DE19833347741
Authority: DE
Inventors: Ernst Prof. Dr.techn.habil. 1000 Berlin Slamecka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1983-12-30
Publication date: 1984-05-17

Description

Elektrischer Vakuumschalter
Die Erfindung betrifft elektrische Vakuumschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bereits bekannt, fabrikfertig geprüfte Mittelspannungsschaltanlagen zu kapseln und diese Kapselung mit einem Isolierglas - vornehmlich Schwefelhexafluorid unter einem Druck von 1,1 bis 1,2 bar - zu füllen.
In dieser Isol iergasatmosphäre lassen sich die Isolierabstände zwischen den Leitern und der Wand der Kapselung sowie zwischen den Leitern selbst gegenüber den Verhältnissen in atmosphärischer Luft erheblich verkleinern.
Es ist ferner bekannt, für solche Schaltanlagen Vakuumschalter zu verwenden wegen ihres relativ sehr kleinen Raum- und Wartungsbedarfs.
Aus den Veröffentlichungen über diese noch junge Schaltanlagentechnik, z.B.
"Eine metallgekapselte, SF6-isolierte Mittelspannungs-Schaltanlage für sehr hohe Ansprüche an Verfügbarkeit, BerUhrungsschutz, Brandsicherheit und Anpassungsfähigkeit" Elektrizitätswirtschaft, Jg. 82 (1983), S. 188 bis 192, "Entwicklungen bei 20-kV-Schaltanlagen und -Transformatorstationen" , Elektrizitätswirtschaft, Jg.82 (1983), S.463 bis 469, geht hinsichtlich der darin verwendeten Vakuumschalter deutlich hervor, daß zu ihrer äußeren Isolation die für atmosphärische Luft benötigten Abmessungen beibehalten worden sind, ungeachtet des Betriebs in SF6. Mit anderen Worten, es werden noch Vakuumschalter mit Freiluftisolation in metallgekapselte SF6 -isolierte Schaltanlagen eingebaut.
Dementsprechend haben die Isolierstoff-Schaltkammern der Vakuumschalter, insbesondere aber ihre Durchführungsisolatoren bei Schaltgehäusen aus Metall eine viel zu große Länge, was zu einem viel zu großen Raumbedarf führt.
Dieser teuere und unnötig beanspruchte Raum in der Kapselung stellt die verbesserungswürdige Ausgangssituation auf Schaltanlagenseite dar, die jedoch an dieser Stelle nicht weiter behandelt werden soll. Die andere verbesserungswürdige Ausgangssituation besteht in dem am falschen Ort eingesetzten Vakuumschalter in Freiluftausführung. Für seine Isolierstoffbauteile sind Materialaufwand und dementsprechend Herstellungskosten natürlich größer als bei Vakuumschaltern mit an die gekapselte gasisolierte Schaltanlage angepaßten Isolierstoffkörpern. Derartig adequate Vakuumschalter sind jedoch trotz intensiver einschlägiger Entwicklungsarbeit auf hohem Niveau bis jetzt noch nicht bekannt geworden. Auch nicht im Bereich der Hochspannungsschalter, was aus der US-Patentschrift 386696 aus dem Jahr 1973 klar hervorgeht: man verwendet selbst dort übliche in Reihe geschaltete Mittelspannungs-Vakuumschalter mit Freiluftisolation und ist mit den an sich kleinen Abmessungen dieser Schalter schon zufrieden, obwohl die Verkürzung der äußeren Isolation eine weitere erhebliche Raumersparnis gebracht haben würde. Die erste Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Abmessungen der äußeren Isolation von Vakuumschalter bei Verwendung in Isolierglas entsprechend zu verkleinern. Weiter stellt sich die Erfindung zur Aufgabe, die Fertigung von Vakuumschaltern mit gleicher Betriebsspannung aber wechselnder Größe der Isolierkörper gemäß dem Einsatz einmal in luftisolierten Schaltanlagen und dann in gasisol ierten metallgekapsel ten zu rationalisieren Daran schließt sich folgerichtig die Zusatzaufgabe an, Vakuumschal ter, die für ein stets gleiches Isol iermedium bei unterschiedlichen Betriebsspannungen benötigt werden, ebenfalls mit möglichst vielen einheitlichen Bauteilen herzustellen.
Die erfindungsgemäße Aufgabenlösung sieht folgendermaßen aus: Die Längenabmessung der äußeren Isolation von Vakuumschaltern für den Betrieb in Luft wird für den Betrieb in Isoliergas im Verhältnis der elektrischen Festigkeiten von Luft und Isoliergas verkleinert.
Für die Verwendung in fallweise unterschiedlichen Schaltanlagenausführungen wird vorteilhaft ein Vakuumschalter vom Metalikammer-Durchführungstyp gewählt. Sein Schaltgehäuse bildet den unveränderlichen oder nur sehr wenig veränderlichen Grundbaustein, der sich mit großen Stückzahlen kostengünstig produzieren läßt. An diesen Grundbaustein wird die dem jeweils verwendeten Isol iermedium entsprechende, Durchführung und feststehendes Schaltstück umfassende Baugruppe montiert.
Bei unterschiedlichen Betriebs spannungen der Schaltanlage wird das Schaltgehäuse aller zugehörigen Vakuumschalter als Standardtyp für die höchste Betriebsspannung ausgeführt und darauf setzt man die jeweils zutreffende Durchführung.
Alle Merkmale der Erfindung sind im Patentanspruch 1 sowie in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert.
Ausführungsbeispiele erläutern sie ergänzend.
Fig. 1 : Längsschnitt durch einen 24-kV-Metallkammer-Vakuumschalter vom Zweifachdurchführungstyp für den Betrieb in atmosphärischer Luft.
Fig. 2 : Längsschnitt durch einen 24-kV-Metallkammer-Vakuumschalter vom Zweifachdurchführungstyp für den Betrieb in metallgekapselten, SF6 -isolierten Schaltanlagen.
Fig. 3 : Längsschnitt durch einen 24-kV-Metallkammer-Vakuumschalter vom Einfachdurchführungstyp für den Betrieb in atmosphärischer Luft.
Fig. 4 : Längsschnitt durch einen 24-kV-Metallkammer-Vakuumschalter vom Einfachdurchführungstyp für den Betrieb in metallgekapselten, SF6 -isolierten Schaltanlagen Fig. 5 : Ansicht und Teillängsschnitt eines 24-kV-Metallkammer-Vakuumschalters mit Einfach-Kappen-Durchführung zur Anwendung in metallgekapselten SF6-isolierten Schaltanlagen.
In der Fig. 1 ist an jeder Stirnseite des Metallgehäuses (1) ein Durchführungsisolator (2) und (3) angeordnet. Diese Isolatoren sind von atmosphärischer Luft umgeben und für eine Betriebsspannung von 24 kV bemessen. Damit werden zwei Stromleiterbolzen (4) und (5) elektrisch isoliert und vakuumdicht in das Schaltgehäuse (1) eingeführt. Jeder Bolzen trägt ein Schaltstück (6) und (7). Das Schaltstück (7) läßt sich bewegen. Die dafür benötigte Schaltkraft wirkt ein mittels des vakuumdichten Faltenbalgs.
Das bewegbare Schaltstück befindet sich im ausgeschalteten Zustand. Die Vakuumstrecke zwischen beiden Schaltstücken entspricht der schon genannten Betriebsspannung.
Zur Führung des bewegbaren Stromleiterbolzens (4) dient das Gleitlager (9). Mit (10) ist die Abschirmung des Faltenbalgs bezeichnet. Außerhalb des Vakuums gehen die Stromleiterbolzen in ein oberes (11) und ein unteres (12) Anschlußstück über.
(13) und (14) stellen Anschluß- und Befestigungselemente dar.
Soll eingeschaltet werden, so drückt eine aus dem nicht gezeigten Schalterantrieb herrührende Kraft auf den Bolzen (4).
Das Schaltstück (7) bewegt sich dann auf das Schaltstück (6) zu bis eine galvanisch leitende Berührung erfolgt. Damit ist der Schalter eingeschaltet.
Bei einem Einsatz der in Fig. 1 dargestellten Freiluft-Vakuumschaltkammer in einer metallgekapselten SF6 -isolierten 24-kV-Schaltanlage wird für dieselben Betriebs-und Kurzschlußströme das metallische Schaltgehäuse (1) mit Schaltstücken und Schaltkrafteinführung praktisch identisch übernommen. Die Durchführungsisolatoren (2,3) lassen sich bei einem angenommenen Gasdruck von 1,2 bar etwa auf ein Drittel ihrer bisherigen Länge verkürzen (2a,3a).
Das ist in Fig. 2 verdeutlicht worden.
Man erkennt in dieser Fig. aber auch noch folgendes: Eine völlige Berücksichtigung der hohen elektrischen Festigkeit von SF6 ist nur bei dem Durchführungsisolator (3a) auf der Seite des feststehenden Schaltstücks möglich.
Auf der Seite des bewegbaren Schaltstücks (7) bestimmt das Schaltkraft-Einführungssystem die Länge des dieses System aufnehmenden Durchführungsisolators (2a). Deshalb ist er nicht so kurz geraten wie es aus rein elektrischen Gründen zulässig wäre.
Um die maximale Verkürzung der Vakuumschaltkammer zu ereichen, müssen an beiden Stirnseiten des Schaltgehäuses die Durchführungsisolatoren (2,3) gegen die Durchführungsisolatoren (2a,3a) ausgetauscht werden. Außerdem erfordert das Schaltkraft-Einführungssystem, insbesondere die Anordnung des Faltenbalgs (8), eine Anpassung.
Die Vakuumschaltkammer vom Einfachdurchführungstyp in Fig.3 ist so wie die vom Zweifachdurchführungstyp in Fig.1 für eine maximale Betriebsspannung von 24 kV vorgesehen. Doch im im Gegensatz zu ihrer Vorgängerin fällt die Spannung von dem Anschlußstück (11) bis zum Schaltgehäuse (15) entlang nur eines Durchführungsisolators (16) ab. Das bedeutet bereits eine erheblich vereinfachte Konstruktion und Fertigung. An der entgegengesetzten Seite des Schaltgehäuses (15) nimmt ein mit dem Boden (17) verbundener Metallzylinder (18) das im wesentlichen aus Faltenbalg (8), Abschirmung (19) und Gleitlager (9) bestehende Schaltkraft-Einführungssystem auf.
Der ebenfalls dem Schaltkraft-Einführungssystem angehörende Stromleiterbolzen (4) ist hier im Vergleich zu dem Stromleiterbolzen (4) in Fig.1 deutlich kürzer ausgefallen, und damit masseärmer, was für den Schalterantrieb einen Vorteil bedeutet.
Ist nun diese Vakuumschaltkammer für den Einbau in eine metallgekapselte SF6-isolierte Schaltanlage gedacht, so benötigen Schaltgehäuse und Schaltkraft-Einführungssystem keinerlei Adaption, und an dem Schaltgehäuse wird statt eines langen einfach ein kurzer Durchführungsisolator angebracht. Diese umfangreichen Baugruppen können also für alle 24-kV-Vakuumschalter unabhängig von ihrem späteren Verwendungszweck in großen Stückzahlen rationell gefertigt werden. Analoges gilt für die oberen Betriebsspannungen 12kV und 36kV.
Diese zu einem rationellen Herstellungsverfahren führende Erfindung läßt sich auch für einen bestimmten isoliergasbereich allein anwenden, und zwar hinsichtlich der darin vorkommenden unterschiedlichen Nennspannungen. Es können z.B. für 12-kV- und 24-kV-Schaltkammern bei gleichen oder nur wenig unterschiedl ichen Nenn-Betriebsströmen und Nenn-Kurzschlußausschaltströmen stets die gleichen Schaltgehäuse und Krafteinführungssysteme verwendet werden, und nur im Endbereich der gemeinsamen Fertigungsstraße wird der für die jeweilige Nennspannung zutreffende Durchführungsisolator aufgesetzt.
Schalthub und offene Schaltstrecke müssen allerdings durchgehend für die höchste Nennspannung bemessen sein, also in dem zitierten Beispiel für 24kV. Doch die Schaltstrecken sind bei Vakuumschaltern relativ zur Schal tkammerl änge sehr klein, sodaß ihre Vereinheitlichung auf oberem Spannungsniveau kaum zählt, gemessen an den erreichbaren Einsparungen durch Verwendung der gleichen Grundbausteine.
Die Baulänge der Vakuumschalter läßt sich aber noch weiter beträchtlich verkleinern durch einen Ausbau der Erfindung wie ihn Fig.5 an einem Beispiel demonstriert. Es handelt sich dabei wieder um einen Vakuumschalter mit metallischem Schaltgehäuse und nur einer elektrischen Uurchführung, also um dasselbe Konstruktionsprinzip wie es schon in Fig.3 und 4 dargestellt worden ist. Daher sind für einander entsprechende Bauteile die Bezeichnungen unverändert übernommen worden.
Neu ist hier die Bauform der Einfachisolierdurchführung (16b).
Sie konnte im Vergleich zu der bereits verkürzten Durchführung (16a) noch wesentlich kürzer gemacht werden. Dies ermöglicht eine Hülse (16c), die sich an die Durchtührung (16b) anschließt und das Schaltgehäuse (15) kappenförmig umhüllt.
Dadurch ist die ausreichende Isolation zwischen der Elektrode (21a) und dem Gehäuse (15) wieder hergestellt.
Die Elektrode (21a) kann in horizontaler Ausdehnung erweitert werden, wenn sich dies z.B. aus elektrischen Gründen als notwendig erweisen sollte. In dem betrachteten Beispiel bildet sie die Fortsetzung des Zwischenkörpers (21), der auf die Stirnseite der Isolierdurchführung (16b) gelötet ist.
von der Verbindung mit der Isolierdurchführung wendet sich der Zwischenkörper zu einem elastischen Flansch (21b), der die Abschlußplatte (22) trägt. In den Bogenraum des Zwischenkörpers ist ein Dämpfungskörper (23) eingebettet. Diese konstruktiv einfache Anordnung macht die Abschlußplatte und init ihr auch das feststehende Schaltstück (6) weitgehend unempfindlich gegen Stoßkräfte. Sie eignet sich daher besonders fur Vakuumschalter, die sehr große Kurzschlußströme zu schalten haben. Damit ist gegenüber DE-OS 32 16251 ein Fortschritt erreicht.
Im Schaltgehäuse (15) schützt ein Schirmkörper (24) auch vor Metalldampfkondensation und Mikrometallspritzern an der tnñen5eite der Isolierdurchführung (16b).
Leerseite

Claims

Patentansprüche 0Elektrischer Vakuumschalter: mit einem Schaltgehäuse aus elektrisch isolierendem oder elektrisch leitendem Werkstoff; mit im Schaltgehäuse relativ zueinander bewegbar angeordneten Schal tstücken; mit einer oder mit zwei Isolierdurchführungen für eine bzw. zwei Stromzuleitungen zu Schaltstücken in einem Schaltgehäuse aus elektrisch leitendem Werkstoff; mit einem Faltenbalg zur gasdichten Einleitung der Schaltkraft an das bewegbare Schaltstück; mit einem gasförmigen äußeren Isol iermedium; dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem von atmosphärischer Luft verschiedenen Isol iermedium angeordneter Vakuumschalter Bauteile aus Isolierstoff besitzt, und daß insbesondere die Länge der Isolierstoffbauteile bemessen ist entsprechend der elektrischen Durchschlagsfestigkeit des umgebenden Isoliermediums.
2. Elektrischer Schalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem metallischen Schaltgehäuse (1) zwei Isolierdurchführungen (2a,3a) angeordnet sind, daß Schaltgehäuse und Isolierdurchführungen sich in einem von atmospärischer Luft verschiedenen Isol iermedium befinden, und daß insbesondere die Länge mindestens einer Isolierdurchführung (3a) bemessen ist entsprechend der elektrischen Durchschlagsfestigkeit des umgebenden Isoliermediums.
3. Elektrischer Schalter nach Patentanspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehende in unterschiedlichen Isoliermedien befindliche Schaltgehäuse (1) bei gleichen Betriebsspannungen dieselben oder nahezu dieselben Abmessungen aufweisen, daß an den Schaltgehäusen stets zwei Isolierdurchführungen angeordnet sind, und daß insbesondere die Länge mindestens einer der beiden Isolierdurchführungen pro Schaltgehäuse bei gleichen Betriebsspannungen wenigstens annähernd umgekehrt proportional ist der elektrischen Durchschlagsfestigkeit der umgebenden Isoliermedien.
4. Elektrischer Schalter nach Patentanspruch 1, 2, 3, daurch gekennzeichnet, daß aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehende in gleichen Isoliermedien befindliche Schaltgehäuse (1) bei unterschiedlichen Betriebsspannungen dieselben oder nahezu dieselben Abmessungen aufweisen, daß an den Schaltgehäusen stets zwei Isolierdurchführungen angeordnet sind, und daß insbesondere die Länge mindestens einer der beiden Isolierdurchführungen pro Schaltgehäuse bei gleichen Isoliermedien wenigstens annähernd proportional ist den zugewiesenen Betriebsspannungen.
5. Elektrischer Schalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem metallischen Schaltgehäuse (15) eine Isolierdurchführung (16a) angeordnet ist, daß Schaltgehäuse und Isolierdurchführung sich in einem von atmospärischer Luft verschiedenen Isoliermedium befinden, und daß insbesondere die Länge der Isolierdurchführung bemessen ist entsprechend der Festigkeit des umgebenden Isol iermediums.
6. Elektrischer Schalter nach Patentanspruch 1, 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehende in unterschiedlichen Isoliermedien befindliche Schaltgehäuse (15) bei gleichen Betriebsspannungen dieselben oder nahezu dieselben Abmessungen aufweisen.

daß an den Schaltgehäusen stets eine Isolierdurchführung angeordnet ist, und daß insbesondere die Länge der Isolierdurchführung bei gleichen Betriebsspannungen wenigstens annähernd umgekehrt proportional ist der elektrischen Durchschlagsfestigkeit der umgebenden Isoliermedien.
7. Elektrischer Schalter nach Patentanspruch 1, 5, 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehende in gleichen Isoliermedien befindliche Schaltgehäuse (15) bei unterschiedlichen Betriebsspannungen dieselben oder nahezu dieselben Abmessungen aufweisen, daß an den Schaltgehäusen stets eine Isolierdurchführung angeordnet ist, und daß insbesondere die Länge der Isolierdurchführung bei gleichen Isoliermedien wenigstens annähernd proportional ist den zugewiesenen Betriebsspannungen.
8. Elektrischer Schalter nach Patentanspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierdurchführung (16b) sich in einen insbesondere hülsenförmigen Körper (16c) erweitert, und daß der Erweiterungskörper (16c) das Schaltgehäuse (15) mindestens teilweise umhüllt.
9. Elektrischer Schalter nach Patentanspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (8) für die vakuumdichte Zuführung der Schaltkräfte an das bewegbare Schaltstück (7) auf der dem einzigen Durchführungsisolator (16), (16a) und (16b) entgegengesetzten Stirnseite des Schaltgehäuses (15) angeordnet sind.
10. Elektrischer Schalter nach Patentanspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenkörper (21) an der Stirnseite eines Durchführungsisolators (16b) befestigt ist, daß sich der Zwischenkörper nach der einen Seite zu einem Elektrodenkörper (21a) erweitert und nach der anderen Seite zu einem Flanschkörper (21b).
11. Elektrischer Schalter nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Flanschkörper und dem Befestigungsbereich des Zwischenkörpers Mittel (23) angeordnet sind zur Dämpfung mechanischer Schwingungen.