DE3914967A1

DE3914967A1 - Vakuumschalter mit aeusserer axialmagnetfeld-erzeugungseinrichtung

Info

Publication number: DE3914967A1
Application number: DE19893914967
Authority: DE
Inventors: Ernst Prof Dr Techn Slamecka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-05-03
Filing date: 1989-05-03
Publication date: 1989-10-05
Also published as: DE3914967C2

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen an Vakuumschaltern zur Erzeu gung eines axialen Magnetfeldes, die gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 außerhalb eines metallischen Schaltgehäuses angeordnet sind. Das Anwendungsgebiet der damit ausgerüsteten Va kuumschalter liegt in Gebiet der Mittel- und Hochspannung.

Stand der Technik und Kritik

Eine äußere Windungsanordnung, die im stromdurchflossenen Zustand ein axiales Magnetfeld erzeugt und die dem Erfindungsgegenstand am nächsten kommt, ist durch die DE-A-31 50 974 bekannt.

Wie die einzige Zeichnung des Ausführungsbeispiels zeigt, ist die Stromzuleitung zum feststehenden Schaltstück als einzelne den Strom leiterbolzen umschlingende Windung ausgebildet. Weiterbildend läßt sich vorstellen, daß diese offene Windung im Durchmesser und in der Höhe vergrößert auf das Schaltgehäuse geschoben wird, wo sie dann die Schaltstrecke zwischen feststehendem und bewegbarem Kon takt überdeckt. Das eine Ende der offenen Windung bleibt weiter mit dem Stromleiterbolzen verbunden und das andere wird an die Stromzuleitung angeschlossen. Zu einer solchen offenen Windung läßt sich kritisch folgendes anmerken:

a) bei großen Kurzschlußströmen wirken auf die offene Windung Öffnungskräfte ein. Wegen mangelnder Kompensation wirken sich diese Stromkräfte auch auf den mit dem Windungsende ver bundenen Stromleiterbolzen aus und somit auch auf das Schalt gehäuse;
b) bei großen Dauerströmen müssen für die Abfuhr der Strom wärme besondere Maßnahmen getroffen werden;
c) bei einer einzelnen offenen Windung wird das von ihr im strom durchflossenen Zustand erzeugte axiale Magnetfeld im Bereich der Öffnung verzerrt sein;
d) die Herstellung einer offenen Windung, die den Beanspruchungen durch große Kurzschluß- und Dauerströme gewachsen sein soll, kann aufwendig sein.

Aufgabe der Eerfindung

Die Erfindung stellt sich insbesondere folgende Aufgaben:

a) offene Windungskörper um das Schaltgehäuse zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes so anordnen, daß durch die neue Windungs anordnung die Stromkräfte weitgehend neutralisiert werden;
b) die Kühlungsverhältnisse bei offenen Windungskörpern verbessern;
c) das im Öffnungsbereich offener Windungskörper verzerrte axi ale Magnetfeld vergleichmäßigen;
d) die industrielle Herstellung offener Windungskörper vereinfa chen und somit die Herstellungskosten senken.

Lösung der Aufgabe und damit erzielbare Vorteile

Die gestellte Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Vakuumschalter durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden durch Anwendung der kennzeich nenden Merkmale der Unteransprüche erhalten. Die den kennzeichnen den Merkmalen zugrunde liegenden konstruktiven Gegenheiten und die physikalischen Wirkungen sind folgende:

zu a): durch die bei zwei oder mehr --------- offenen Windungs körpern mögliche rotationssymmetrische Anordnung der Verbindungsstücke zu Schaltstück und Stromanschlußstück lassen sich die Stromkräfte weitgehend neutralisieren; bei einem einzelnen offenen Windungskörper werden die Stromkräfte rationellerweise durch eine Hülse aus einem mechanisch festeren und elektrisch schlechter leitenden Material als es Kupfer ist, aufgefangen;

zu b): im Ringspalt zwischen denoffenen Windungskörpern entsteht durch eine Art Kaminwirkung eine Strömung des umgebenden Mediums (Luft oder SF6), welche die Stromwärme von den Oberflächen abführt und dadurch die Kühlung erhöht;

zu c): durch das Überdecken der gestörten Axialfelderregung im Öffnungsbereich der einen Windung mit der ungestörten Axialfelderregung im Vollwandbereich der anderen Windung ergibt sich ein vergleichmäßigtes axiales Magnetfeld;

zu d): als Halbzeug für die neuen offenen Windungskörper kann handelsübliches Kupferblech verwendet werden.

Die unter a) bis d) erläuterten wesentlichen Merkmale der Aufgaben lösung stellen gleichzeitig die Vorteile dar, die sich aus der An wendung des Erfindungsgegenstandes ergeben. Weitere Vorteile wer den aus dem Anwendungsbeispiel erkennbar.

Ausführungsbeispiel

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 Vakuumschaltrohr in Ansicht mit Schaltgehäuseboden in Draufsicht; Zylindermantel-Windungen von der Drauf sicht in die Schnitt-Ansicht übergehend.

Fig. 2 Schraubenmantel-Windungen um Schaltgehäuse, Ansicht.

Fig. 3 Schraubenmantel-Windungen, Abwicklung.

Aus dem Durchführungsisolator (1) an dem Schaltgehäuse (2) des Schalt rohres (1) schaut in Fig. 1 der Stromanschlußbereich des bewegbaren Stromleiterbolzen (4) hervor. Durch den Boden (5) des Schaltgehäuses ist der feststehende Stromleiterbolzen (6) durchgeführt. Im Schaltge häuse stehen sich der feststehende (7) und der bewegbare (8) Kontakt im ausgeschalteten Zustand axial gegenüber; beide Kontakte sind mit einem Teil des zugehörenden Stromleiterbolzens gestrichelt skizziert.

Das Schaltgehäuse ist von zwei offenen Zylindermantel-Windungen, einer inneren (9) und einer äußeren (10), umgeben. Die offenen Mantelenden sind an der einen Seite durch je ein inneres rotationssymmetrisch angeordnetes Verbindungsstück (11, 12) mit dem feststehenden Stromlei terbolzen (6) verbunden. An der gegenüberliegenden Seite verbindet die offenen Mantelenden jeweils ein gleichfalls rotationssymmetrisch ange ordnetes Verbindungsstück (15, 16) mit dem U-förmigen Bügel (17). An diesem Bügel kann ein Stromanschlußstück entweder seitlich oder zen tral angeordnet sein; dargestellt ist ein zentral angebrachtes (40). Alle Verbindungsstücke und das Stromanschlußstück sind nur durch ihre Mittellinien erpräsentiert, was die angestrebte und erreichte Symme trie besonders deutlich macht.

Durch die rotationssymmetrische Anordnung der inneren Verbindungsstücke heben sich die auf den feststehenden Stromleiterbolzen einwirkenden Stromkräfte auf. Außerdem halten sie die Mantelenden fest, so daß sie sich nicht aufbiegen.

Die Mantelenden auf der gegenüberliegenden Seite werden durch die Verbindungsstücke (15, 16) im Verbund mit dem Anschlußbügel (17) in ihrer Position gehalten.

Der Längsspalt (14) im inneren Zylindermantel (9) wird durch den Voll wandbereich des äußeren Zylindermantels (10) überdeckt und beim Längs spalt (13) im äußeren Zylindermantel verhält es sich umgekehrt.

Im Bereich des Längsspaltes eines offenen Windungskörpers ist das axi ale Magnetfeld wegen des nicht mehr kreisförmigen Stromverlaufes ver zerrt. Diese Verzerrung wird in Richtung auf den gegenüberliegenden Vollwandbereich abnehmen. Wenn sich nun , wie bei dem dargestellten offenen Zwei-Zylindermantel-Windungssystem zutreffend, Spalt- und Wandbereiche rotationssymmetrisch überdecken, werden die örtlichen Verzerrungen ausgeglichen.

Den Stromverlauf im Zwei-Zylindermantel-System deuten Strompfeile an. In der offenen, vom Lichtbogenstrom durchflossenen Schaltstrecke ist zusätzlich zu den (kürzeren) Strompfeilen das erzeugte axiale Magnet feld durch (längere) Feldpfeile ebenfalls symbolhaft dargestellt.

Die Zylindermäntel (9, 10) schließen den äußeren Ringspalt (18) ein. Den inneren Ringspalt (19) bildet der innere Zylindermantel (9) mit der zylindrischen Wand des Schaltgehäuses (2). Durch eine Art Kamin wirkung entsteht im stromdurchflossenen Zustand in beiden Ringspal ten eine Gasströmung (Luft oder SF6). Diese Strömung nimmt die Strom wärme aus den Wänden auf und führt sie in den Außenraum ab. Dadurch lassen sich Kühlrippen an der Außenoberfläche des äußeren Zylinder mantels einsparen.

Halbzeug für die offene Zylindermantelwindung ist Kupferblech, das in passender Wandstärke zugeschnitten und dann eingerollt wird. Die Aus gangsform, das bereits zugeschnittene Kupferband, zeigt in Fig. 3 die Abwicklung des an späterer Stelle noch zu erläuternden Schraubenman tels als Weiterbildung des Zylindermantels.

Bei der offenen Zylindermantelwindung befinden sich die Stromanschluß stellen etwa auf gleicher Höhe an den sich gegenüberliegenden Enden des Zylindermantels. Es muß demnach dafür gesorgt werden, daß sich der Strom von der Eintrittstelle aus möglicht gleichmäßig über die Länge des Zylindermantels verteilt. Zu diesem Zweck kann der Zylin dermantel im anschluß-seitigen Randbereich z.B. mit nicht dargestell ten Stromleit-Längsspalten versehen sein. Eine andere Möglichkeit, den Stromfluß im Zylindermantel über seine Länge zu vergleichmäßigen, besteht darin, den Mantel das Schaltgehäuse mit einer anderen Form veränderlicher axialer Erstreckung umgeben zu lassen.

Zum Beispiel kann der Zylindermantel so gestaltet werden, daß er das Schalt gehäuse in Form eines Schraubenbandes umgibt. Und zwar derart, daß die Schraubenbänder (9 a, 10 a) von den Anschlußstellen (15, 16) beginnend eine halbe Ganghöhe lang abfallen bis der isolatorseitige Rand des Schaltgehäuses etwa erreicht ist - dabei werden die Kontakte (7, 8) überdeckt - und anschließend im Verlauf der zweiten Hälfte der Schrau benganghöhe wieder auf die Stromanschlußstelle ansteigen, Fig. 2. Man kann eine solche Anordnung auch als zwei fortschreitende Halb schraubengänge mit jeweils entgegengesetztem Windungssinn auffassen; an ihren Enden werden sie verbunden, so daß eine Vollwindung mit wech selndem Windungssinn entsteht.

Die inneren Verbindungsstücke (11, 12) sind an einer Buchse (6 a) um das dafür abgefaste Ende des feststehenden Stromleiterbolzens (6) befestigt. Somit läßt sich das Axialfeld-Erzeugungssystem der offenen Windungen einfach an einem Schaltrohr anbringen - auch nachträglich, zur Erhö hung der Ausschaltleistung eines schon vorhandenen Rohr-Typs. Hinzuweisen ist noch darauf, daß im Bereich derStromanschlußstellen das eine Schraubenband das Anbringen von Stromanschlüssen am anderen Band nicht behindert.

Offener Zylindermantel oder gegebenenfalls Schraubenband sind so zu bemessen, daß ein jedes den Dauerstrom führt, ohne daß eine bestimmte Temperatur überschritten wird und weiter, daß die Stromkraft diese Formkörper nicht aufweitet. Dafür sind für ein und dasselbe Objekt zwei Berechnungsverfahren anzuwenden, die zwei verschiedenen physi kalischen Bereichen entstammen. Von den errechneten unterschiedlichen Wandstärken ist die größte zu nehmen; hier ergibt sie sich aus der elektrodynamischen Beanspruchung. Ein solches Verfahren würde eine große Wandstärke von Zylindermantel oder Schraubenband ergeben.

Die Abhilfe besteht darin, allgemein ausgedrückt, die Verkettung eines Objektes mit zwei physikalisch verschiedenen Beanspruchungen aufzuheben. Im vorliegenden Fall bedeutet das, Zylindermantel oder Schraubenband nur hinsichtlich der zulässigen Stromerwärmung auszu legen, was die kleinere Wandstärke ergibt, und zur Aufnahme der Strom kraftbeanspruchung ein dafür besser geeignetes Bauteil vorzusehen, nämlich ein Band oder eine Hülse aus rostfreiem Stahl. Das Band (23) umfasst in Fig. 1 den äußeren Zylindermantel und eine nicht dargestell te Hülse umfasst das Schraubenband in Fig. 2. Solche Bänder oder Hülsen shunten den jeweils umgebenen offenen Windungskörper nur wenig und auch das läßt sich vermeiden, wenn die inneren Oberflächen elektrisch nicht-leitend beschichtet sind.

Wie aus der Zeichnung in Fig. 1 weiter ersichtlich ist, stützt sich der innere Zylindermantel am äußeren ab über einzelne elektrisch schlecht oder nicht- leitende Distanzstücke (24), die im Ringspalt (18) entlang des Umfanges verteilt sind.

Die Spezialisierung des offenen Windungskörpers auf die Führung des Dauerstromes und das Vorsehen eines getrennten Bauteils für die Auf nahme der Stromkraft eignet sich nicht allein für Zwei- oder Mehrfach- Windungskörper, sondern auch für offene Einzel-Windungskörper.

Claims

1. Vakuumschalter mit äußerer Axialmagnetfeld-Erzeugungseinrichtung mit:

a) einem evakuierten Schaltgehäuse (2) aus elektrisch leitendem Material, an dessen Boden ein feststehendes Schaltstück (6,7) angeordnet ist;
b) einem stirnseitig daran angeordneten Durchführungsisolator (3) zur Einführung eines axial bewegbaren Stromleiters (4), an des sen Stirnseite ein Kontaktkörper (8) befestigt ist;
c) einer das Schaltgehäuse außen umgebenden Windungsanordnung zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes;

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

d) mindestens zwei offene Windungskörper umgeben das Schaltgehäuse mindestens auf einem Teil seiner Längserstreckung;
e) die Öffnungsbereiche und die Vollwandbereiche der jeweiligen Windungskörper überdecken sich;
f) an dem einen Windungsende sind die jeweiligen Windungskörper durch rotationssymmetrisch angeordnete Verbindungsstücke mit dem feststehenden Schaltstück (6,7) verbunden und an dem anderen gegenüberliegenden Windungsende sind die jeweili geb Windungskörper durch rotationssymmetrisch angeordnete Ver bindungsstücke mit einem Stromanschlußstück verbunden.

2. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
zumindest die Endbereiche des jeweils einen offenen Windungskörper sind mit dem überdeckenden Vollwand bereich des jeweils anderen offenen Windungskörpers durch elek trisch schlecht leitende oder isolierende Abstandskörper (24) verbunden.

3. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die offenen Windungskörper sind als seitlich offene Hohlzylinder (9,10) mit entlang des Umfanges nicht veränderlicher Mantellänge ausgebildet, wobei sich die jeweiligen Öffnungsbereiche (13,14) und die jeweiligen Vollwandbereiche überdecken.

4. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 3,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: an dem einen Ende sind die jeweiligen seitlich offenen Hohlzylin der (9, 10) durch die inneren Verbindungsstücke (11, 12) mit dem feststehenden Schaltstück (6, 7) rotationssymmetrisch verbun den und an dem anderen gegenüberliegenden Ende durch die äußeren Verbindungsstücke (15, 16) rotationssymmetrisch mit dem Stroman schlußstück (17, 40).

5. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die offenen Windungskörper sind als seitlich offene Hohlzylinder ausgebildet, deren Ausdehnung in axialer Richtung sich entlang zumindest eines Teiles ihres Umfanges verändert und deren jewei lige Öffnungsbereiche und jeweilige Vollwandbereiche sich über decken.

6. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die Stirnränder jeweils eines Hohlzylinders (9 a, 10 a) verändern sich um die und entlang der Achse nach jeweils einer Schrauben linie, die von der jeweils ersten Stromanschlußstelle (15, 16) über der ersten Hälfte des Umfanges abfällt und anschließend über der zweiten Hälfte des Umfanges wieder ansteigt bis zur je jeweils zweiten Stromanschlußstelle an den Verbindungsstücken (11, 12).

7. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 5, 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
an dem einen Ende sind die jeweiligen seitlich offenen Hohlzylin der mit in axialer Richtung zumindest entlang eines Teiles ihres Umfanges veränderlicher Ausdehnung durch die inneren Verbindungs stücke (11, 12) mit dem feststehenden Schaltstück (6, 7) rotations symmetrisch verbunden und an dem anderen gegenüberliegenden Ende durch die äußeren Verbindungsstücke (15, 16) rotationssymmetrisch mit einem Stromanschlußstück.

8. Vakuumschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) das Schaltgehäuse (2) ist mindestens auf einem Teil seiner Länge durch mindestens einen offenen Windungskörper umgeben, dessen Enden einerseits durch ein erstes Verbindungsstück mit dem fest stehenden Schaltstück (6, 7) und andererseits durch ein zweites Verbindungsstück mit ---- einem äußeren Stromanschlußstück ver bunden sind, wobei den Windungskörper ein hülsenförmig geschlos sener Körper (23) umgibt;
b) der Körper (23) besteht aus einem Material, das mechanisch fester und elektrisch geringer leitfähig ist als das Material des Windungskörpers.

9. Vakuumschalter nach Patentanspruch 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
zwischen der inneren Oberfläche des hülsenförmig geschlossenen Körpers (23) und der äußeren Oberfläche des Windungskörpers ist eine elektrisch schlecht leitende oder isolierende Fest stoffschicht angeordnet.

10. Vakuumschalter nach Patentanspruch 8, 9, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
der offene Windungskörper ist als seitlich offener Hohlzylinder (9) ausgebildet, dessen Ausdehnung in axialer Richtung sich ent lang des Umfanges nicht verändert.

11. Vakuumcshalter nach Patentanspruch 8, 9, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
der offene Windungskörper ist als seitlich offener Hohlzylinder (9 a) ausgebildet, dessen Ausdehnung in axialer Richtung sich ent lang zumindest eines Teiles seines Umfanges verändert.