DE8804675U1

DE8804675U1 - Vakuumschaltröhre

Info

Publication number: DE8804675U1
Application number: DE8804675U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-04-07
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1989-08-03

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Vakuumschaltrohre mit zwei innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordneten, jeweils aus einem feststehenden und einem beweglichen Kontaktstück bestehenden, koaxial angeordneten Kontaktsystemen, die in separaten Schaltkammern liegen, und von denen die beweglichen Kontaktstücke über bewegliche Kontaktträger und Federbslge stirnseitig aus dem Gehäuse geführt sind und die feststehenden Kontaktstücke zwischen den beweglichen Kontaktstücken liegen und miteinander über eine Spule zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes in Reihe geschaltet sind und bei der jeweils ein mit dem feststehenden Kontaktstück leitend verbundener Schirmkörper die Kontaktsysteme umgibt und die Schirmkörper und die feststehenden Kontaktstücke mittels eines feststehenden Trägers im Gehäuse befestigt sind.

Eine derartige Vakuumschaltröhre ist aus der DE-QS 33 18 bekannt. Bei dieser bekannten Vakuumschaltröhre sind die feststehenden Kontaktstücke der beiden Kontaktsysteme jeweils auf einer metallischen, mit einer relativ großen Öffnung versehenen, feststehenden Trägerplatte elektrisch leitend befestigt, über welche die beiden Kontaktsysteme in Reihe geschaltet sind. Auf dieser Trägerplatte, die elektrisch leitend in der Gehäusewand eingesetzt ist, sind jeweils zu den Stirnseiten der Vakuumschaltröhre hin offene, röhrenförmige Schirmkörper angebracht, welche die Kontaktsysteme umgeben, so daß diese in separaten Schaltkammern liegen. Die Evakuierung der gesamten Vakuumschaltröhre kann deshalb über nur einen, an einer der Stirnseiten der Vakuumschaltröhre angebrachten Pumpstengel durchgeführt werden.

Beim Ausschältvörgang entstehen beim öffnen der Kontakte zwei

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1 Lichtbögen, die leitfähigen Metalldampf erzeugen, welcher sich auf den Kontakten und den das Kontaktsystem umgebenden Wänden niederschlägt. Durch das Vorhandensein der in der Platte vorgesehenen Öffnungen kann es jedoch auch nach dem Löschen der : 5 Lichtbögen zu einer hohen Metalldampfkonzentration in Bereich \ der Kontakte kommen, weil die Öffnungen innerhalb bzw. in j unmittelbarer Nähe der feststehenden Kontaktstücke liegen und I die Flächen, auf denen sich der entstandene Metalldampf I niederschlagen kann, klein sind. Somit ist durch den nicht •y 10 kondensierten Metalldampf noch relativ lange eine hohe ^ Leitfähigkeit zwischen den Kontaktstücken aufrecht erhalten. 1 Mithin besteht zumindest nach dem Ausschalten von n-hen I Kurzschlußströmen die .Möglichkeit, daß die dieiektriscne I Festigkeit der Schaltstrecken zeitlich nur verzögert ansteigt.

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I Zusätzlich ist durch die Öffnungen in der Platte auch die 1 Wanderung von leitfähigem Metalldampf von einem Kontaktsystem

% zum anderen möglich, so daß die Spannungsfestigkeit eines 1 einzelnen Kontaktsystems durch den im jeweils anderen Kontakt-

* 20 system erzeugten Metalldampf zusätzlich vermindert sein kann. ?j Damit ist die dielektrische Festigkeit der beiden in Reihe ! geschalteten Schaltstrecken beim Ausschalten großer Ströme I insgesamt nur gering.

£ 25 Bei der bekannten Vakuumschaltröhre ist auch vorgesehen, anstelle der durchbrochenen Trägerplatte für die feststehenden Kontaktstücke eir.en in Form einer Flachspule ausgebildeten, spiralförmigen Verbindungsleiter zu verwenden. Über diesen Verbindungsleiter sind die beiden feststehenden Kontaktstücke 30 direkt miteinander verbunden. Mit dieser Spule ist ein axiales Magnetfeld erzeugt, aber ebenfalls der Durchtritt von Metalldampf möglich. Die mit dieser Anordnung erzielbaren Feldstärken sind jedoch gering und der Verlauf des Magnetfeldes weist nur in unmittelbarer Umgebung des Verbindungsleiters und 35 damit lediglich im Bereich der feststehenden Kontaktstücke eine

I wirksame axiale Komponente auf. Damit ist die Wirkung des

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3 VPA 8 8 6 8 S 3 axialen Magnetfeldes zur Verhinderung der Ausbildung von kontrahierten Lichtbogen eingeschränkt, was sich nachteilig auf die Beherrschung hoher AusschaltstrÖme auswirken kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumschaltröhre anzugeben, bei der eine höhe dielektrische Festigkeit in allen Betriebszuständen und vor allem auch nach der Ausschaltung hoher Kurzschlußströme gewährleistet ist.

Bei einer elektrischen Vakuumschaltröhre der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe gemäß äef Erfindung dadurch gelöst, daß die beiden feststehenden Kantaktstücke mit dem Schirmkörper durch mindestens ein isolierendes oder zumindest schlecht leitendes Zwischenteil gegeneinander abgestützt sind, daß die Spule jeweils an den Schirmkörpern angeschlossen ist und diese und die Kohtaktsysteme gemeinsam koaxial umgibt, daß die Schaltkammern gegeneinander verschlossen sind, und daß als Träger für die Söhirmkörper und Kontaktstücke elastische Stege vorgesehen sind.

Bei einer derartigen Vakuumschaltröhre fließt der Strom über die beweglichen und feststehenden Kontaktstücke und die Schirmkörper des einen Kontaktsystems zur Spule und von der Spule über den Schirmkörper und das feststehende sowie das bewegliche Kontaktstück des anderen Kontaktsystems. Da zwischen den Schirmkcrpern ein schlecht leitendes oder isolierendes Zwischenteil angeordnet ist, erfolgt der Stromübergang von den Schirmkörpern mit den daran befestigten feststehenden Kontaktstücken und damit die Reihenschaltung der Kontaktsysteme nicht direkt, sondern nur über die Spule. Damit liegt die Spule im Hauptstrompfad und wird deshalb permanent vom gleichen Strom durchflossen wie die in Reihe geschalteten Kontaktsysteme, welche zusammen mit den Schirmkörpern von der Spule koaxial umgeben sind.

Bei der Ausschaltung entstehen zwischen beweglichen und

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feststehenden Koritaktstücken eines jeden Kontaktsystems Liehtbögenj die wegen des durch die Spule erzeugten axialen Magnetfeldes diffus brennen und dabei eine nur kleine Lichtbogenbrehrispähnung haben, so daß die umgesetzte Verlustleistung und damit die Kontaktäufschmelzuhg gering ist.

Da die für jedes Kontaktsystem vorgesehenen, separaten Schaltkammern gegeneinander verschlossen sind, ist eine vollständige Trennung der beiden Kontaktsysteme durch einzeln

IG zugeordnete, getrennte Dampfschirme erzielt. Eine gegenseitige Kommunikation der beidsn Schsltksinmsrri ist bezüglich der Ausbreitung von Metalldampf verhindert. Die dielektrische Festigkeit jedes einzelnen Kontaktsystems ist deshalb in allen Betriebszuständen ebenso groß, wie für den Fall, daß jedes Kontaktsystem in einer eigenen Vakuumschaltröhre angeordnet wäre. Die Spannungsfestigkeit ist damit bei der gemäß der Erfindung ausgebildeten Vakuumschaltröhre mit zwei in Reihe geschalteten Kontaktsystemen ohne Einschränkung verdoppelt. Dadurch kann diese Vakuumschaltröhre gegenüber Vakuumschaltröhren mit nur einem Kontaktsystem auch für die doppelte Nennspannung eingesetzt werden, hat aber gegenüber zwei in Reihe geschalteten einzelnen Vakuumschaltröhren den Vorteil einer viel geringeren Bäulänge, so daß auch Hochspannungsschaltgeräte mit relativ kleinem Aufwand im Spannungsbereich oberhalb einer Nennspannung von 36 kV mit Vakuumschaltröhren ausgerüstet sein können.

Da die zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes vorgesehene Spule beide Kontaktsysteme und deren Schirmkörper koaxial umgibt, sind nur wenige Windungen erforderlich, um eine hohe axiale Komponente des Magnetfeldes int gesagten Bereich der beiden in Reihe geschalteten Kontaktsysteme zu erzielen. Dadurch können auch hohe Ströme ohne Auftreten einer Lichtbogenkontraktion geschaltet werden, so daß die Schaltleistung insgesamt hoch und zugleich der Abbrand der Kontakte gering ist. Somit können auch hohe Ströme rait

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großer Häufigkeit geschaltet werden* Äußerem sind keine ferromagnetischen Materialien im Bereich eier Kontaktsysteme zur Fokussierung des axialen Magnetfeldes notwendig, so daß keine zusätzliche, durch diese Hilfsmittel erzeugte, die Nennströmbelastbärkeit herabsetzende Erwärmung innerhalb der Vakuumschaltröhre auftreten kann.

Öurch die elastische Befestigung der Schirmkörper mit den feststehenden Kontaktstücken durch elastische Stege am Gehäuse sind ungleiche Veränderungen der Maße der feststehenden und '■""W"'"'!! Chen Kontaktstück« durch ds &eegr; Abbfsnd vishrsnd dss Betriebes ohne weiteren Aufwand ausgeglichen, weil die feststehenden Kontaktstücke axial verschiebbar sind und damit die Kontaktsysteme auch geringfügig unsymetrisch innerhalb der Vakuumschaltröhre liegen können. Der Antrieb der beweglichen Kontaktträger kann einfach aufgebaut sein, weil die Toleranzen im Gleichlauf für die beiden beweglichen Kontaktstücke, die vom äußeren Antrieb bestimmt sind, relativ groß gehalten sein können, da bei einseitigem Kontaktdruck die Belastung der Befestigung der feststehenden Kontakte im Gehäuse durch deren Elastizität nur gering ist.

Da das Gehäuse der Vakuumschaltröhre keine vakuumdicht unterteilten Teilräume aufweist, sondern im Bereich der Spule ein freier Gasdurchtritt möglich ist, kann die Vakuumschaltröhre vollständig von einer Stelle aus, z. B. über einen Pumpstengel, evakuiert werden.

£s kann vorteilhaft sein, daß das Gehäuse im Bereich der Spule metallisch ausgebildet ist und mit dieser an einer Stelle leitend verbunden ist» Dadurch kann das Gehäuse im Bereich der Kontaktsysteme und der Spule als ein zusätzlicher Dampfschirm gestaltet sein. Mit einem derartigen Dampfschirm kann die Kondensationsfläche für den Metalldampf erhöht und das Risiko für eine die Isolationsfahigkeit des Innenraums der Vakuumschaltröhre vermindernde Bedampfung weiter verringert sein.

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1' Zugleich kann 'an diesem Teil des Gehäuses eine stabile Befestigung der Vakuumschaltröhre erfolgen*

Es empfiehlt sich,' daß die mittlere Windung der Spule leitend J 5 mit dem Gehäuse verbunden ist. Dadurch ist das elektrische Potential des Dampfschirmes symmetriert, so daß die kapazitive Spännungsaufteilung zwischen den beiden Kontaktsystemen vergleichmäßigt ist.

Es kann darüber hinaus von Vorteil sein, daß das isolierende sdsr 'zumindest schlecht leitsnde ?v*isQh§nteil an der Spule befestigt ist. Da die Befestigung der Schirmkörper mit der Spule nur an den Spulenanschlüssen erfolgt, läßt sich dadurch eine zusätzliche Erhöhung der Stabilität der Verbindung zwischen Schirmkörpern und Spule erreichen.

Es kann empfehlenswert sein, daß die Spule durch isolierende oder zumindest schlecht leitende Teile gegen das Gehäuse abgestützt ist. Damit ist die seitliche Stabilität der Spule mit den Schirmkörpern und den feststehenden Kontaktstücken vor &igr; allem bei geöffneten Kontakten erhöht.
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Es kann darüber hinaus zweckmäßig sein, daß d.te Schirmkörper topfförmig ausgebildet sind und der dem Zwischenteil zugewandte Boden jeweils das feststehende Kontaktstück trägt. Hierdurch können die Schirmkörper zusammen mit den feststehenden Kontaktstücken als Baueinheiten vorgefertigt und in einfacher Weise mit dem Zwischenteil aus isolierendem oder schlecht leitendem Material an der Spule befestigt werden, wodurch der Fertigungsaufwand verringert ist.

Im folgenden sei die Erfindung noch anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näheir erläute'-^. In der dargestellten Figur ist eine Vakuumschaltröhre für ei~s Nennspannung von 72,5 kV und einen Nennausschaltstißßi ._-. 31,5 kA im Längsschnitt mit geöffneten Kontakten gezeigt.

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7 VPA 8 8 b 8 5 3 3 Die Vakuumschaltrohre enthält innerhalb des Gehäuses 1 zwei koaxial angeordnete Kontaktsysteme 2, die aus jeweils einem feststehenden 3 und einem beweglichen Kontaktstück 4 bestehen.

b Die Kontaktstücke 3, 4 sind zusätzlich jeweils mit eine? Auflage aus abbrandfestem Material 5 versehen.

Das Gehäuse 1 der Vakuumschaltröhre besteht aus einem im Bereich der Kontaktsysteme 2 liegenden, röhrenförmigen, metallischen Mittelteil, der als Dampfschirm 6 wirkt, zwei in axialer Richtung über Flansche 7 am Dampfschirm 6 angelöteten, keramischen Isolatoren 8 und ist mit Deckeln 9 jeweils an den äußeren Stirnseiten 10 der Isolatoren 8 vakuumdicht verschlossen. Am Dampfschirm 6 des Gehäuses 1 ist die Vakuumschaltröhre in nicht dargestellter Weise im Vakuumschalter befestigt.

Die beweglichen Kontaktstücke 4 sind auf bolzenförmigen Kontaktträgern 11, auf die ein externer, nicht dargestellter, isolierter Antrieb wirkt, befestigt. Die Kontaktträger 11 sind jeweils an den äußeren Stirnseiten 10 der Vakuumschaltröhre über mit Kappen 12 abgedeckte Federbälge 13 beweglich und vakuumdicht durch Flansche 14 und die Deckel 9 aus dem Gehäuse 1 geführt.

Die feststehenden Kontaktstücke 3 sind auf dem Boden 16 von I

separaten, topfförmigen Schirmkörpern 17, 18 aus Kupfer |

angelötet, die nur zu den Stirnseiten 10 der Vakuumschaltröhre j.

hin Öffnungen 19 aufweisen, durch welche die beweglichen f.

Kontaktträger 11 hindurchtreten. Die Schirmkörper 17, 18 sind f

über ein metallisches Zwischenteil 25 mit sehr geringer I

elektrischer Leitfähigkeit an ihren Böden 16 miteinander |

mechanisch fest verbunden. $

Um die Schirmkörper 17, 18 und die Kontaktsysteme 2 ist eine jj zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes vorgesehene Spule 26 aus Kupfer mit drei Windungen 27, 28, 29 angeordnet* deren

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untere Windung 27 am unteren Schirmkörper 17 und deren obere Windung 23 am oberen Schirmkörper 18 angeschlossen ist.

Das mit den Schirmkörpern 17, 18 verbundene Zwischenteil 25 ist in der mittleren Windung 28 der Spule 26 verankert, so daß die Schirmkörper 17, 18 mit den feststehenden Kontaktstücken 3 zusammen mit der Spule 26 eine stabile Baueinheit 30 bilden. Diese Baueinheit 30 ist über einen leitfähigen, mechanisch elastischen Steg 31, der in die mittlere Windung 28 der Spule eingelassen ist, elektrisch leitend und elastisch mit dem Dampfschirm 6 verbunden. Zusätzliche, elastische Stege 32 aus elektrisch schlecht leitendem Material stutzen die Spule 26 und damit die Baueinheit 30 zusätzlich seitlich ab, ohne die Spule 26 elektrisch zu überbrücken. Da keine getrennten Gasräume gebildet sind, kann die Evakuierung der Vakuumschaltröhre vollständig über den am Dampfschirm 6 angebrachten Pumpstengel 33 erfolgen.

Der über die Vakuumschaltröhre führende Strompfad verläuft über den beweglichen, unteren Kontaktträger 11 mit dem beweglichen, unteren Kontaktstück 4 zum unteren feststehenden Kontaktstück des unteren Kontaktsystems 2 und über den Boden 16 des unteren Schirmkörpers 17 zu der an diesem angeschlossenen, unteren Windung 27 der Spule 26. Von dort fließt der Strom über die Spule 26 mit der am oberen Schirmkörper 18 angeschlossenen oberen Windung 29 und über diesen und dessen Boden 16 mit dem oberen feststehenden Kontaktstück 3 zum oberen beweglichen Kontaktstück 4 und dem oberen beweglichen Kontaktträger 11. Die beiden Kontaktsysteme 2 sind damit über die Spule 26 iii Reihe geschaltet, weil das schlecht leitende Zwischenteil 25 einen direkten Stromübergang zwischen den Böden 16 der Schirmkörper 17, 18 nicht zuläßt.

Bei der Öffnung der Kontakte werden die beweglichen Kontaktträger 11 mit den beweglichen Kontaktstücken 4 in entgegengesetzter Richtung axial auseinander gezogen, so daß zwei

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Lichtbögen innerhalb der die Kontaktsysteme 2 umgebenden Schirmkörper 17, 18 entstehen. Aufgrund des durch die im Hauptstrompfad liegende Spule 26 erzeugten, vom auszuschaltetende Strom erregten axialen Magnetfeldes können sich die Lichtbogen auch bei hohen Kurzschlußströmen nicht kontrahieren, sondern brennen mit geringer Lichtbogenspannung diffus. Dadurch ist die Verlustleistung und die Erosion der Kontaktstücke 3, 4 gering.

Durch die separaten Schirmkörper 17, 18 mit den feststehenden Kontaktstücken 3 sind für jedes Kontaktsystem 2 gegeneinander verschlossene Schaltkammern 34 gebildet, die nur zu den äußeren Stirnseiten 10 der Vakuumschaltröhre hin offen sind. Innerhalb jeder Schaltkammer 34 schlagt sich der durch die Lichtbogeneinwirkung eines jedem Kontaktsystems 2 erzeugte Metalldampf getrennt nieder. Die Kondensationsflachen fur den Metalldampf sind fur jedes Kontaktsystem 2 groß. Außerdem besteht fur den Metalldampf keine direkte Verbindung zwischen den beiden Kontaktsystesflen '«., so daß insgesamt die dielektrische Festigkeit auch b i der Ausschaltung von hohen Strömen für jedes einzelne Kontaktsystem 2 hoch und keine gegenseitige Beeinflussung möglich ist. Außerdem ist die Spule 26 vor Bedampfung weitgehend geschützt. Durch den ungebördeifcen Rand der Flansche 7 sind im Bereich der Öffnungen 19 der Schirmkörper 17, 18 zusätzliche Dampfschirme gebildet, die eine Bedampfung der Isolatoren 8 mit aus den Schirmkörpern 17, 18 austretendem Metalldampf verhindern, wodurch die Isolationsfähigkeit der Innenseite der Isolatoren 8 auch nach häufigen Ausschaltungen aufrecht erhalten ist. Die Flansche 14 haben ebenfalls einen umgebördelten Rand 36, so daß das elektrische Feld innerhalb der Isolatoren 8 vergleichmäßigt, und damit die statische Spannungsfestigkeit hoch ist.

Der im Bereich der Spule 26 liegende, zur Befestigung der Vakuumschaltröhre dienende, metallische Mittelteil des Gehäuses 1 wirkt gleichzeitig als zusätzlicher Dampfschirm 6 und trägt zur

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&iacgr;&ogr; vPA 8 8 &udiagr; 8 5 3 Erhöhung der Kondensationflache bei. Er fangt außerhalb der Schirmkorper 17, 18 in axialer Richtung sich ausbreitenden Metalldampf ab, so daß die Bedampfung der Isolatoren vollständig verhindert und die Spannungsfestigkeit der inneren Isolation der Vakuumschaltröhre weiter erhöht ist.

Bei der Einschaltung bewegen sich die beweglichen Kontaktträger mit den beweglichen Kontaktstücken 4 aufeinander zu und gelangen mit den dazwischenliegenden, feststehenden Kontaktstucken 3 zur Anlage. Da die Befestigung der aus Spule 26 und Schirmkörpern 17, 18 mit den feststehenden Kontaktstücken 3 gebildeten Baueinheit 30 innerhalb der Vakuumschaltröhre elastisch ist, sind auch durch unterschiedlichen Kontaktabbrand während des Betriebes verursachte unterschiedliche Stärken der Kontaktstücke 3, 4 ausgeglichen, da sich die Baueinheit 30 innerhalb der Vakuumschaltröhre in axialer Richtung verschieben kann.

Die elastische Befestigung der Baueinheit 30 ermöglicht auch, einen bestimmten Ungleichlauf der beweglichen Kontaktträger zuzulassen, da die Beanspruchung der Befestigung geringer als bei starrer Verbindung ist, was den Aufwand für den Antrieb der beweglichen Kontaktträger 11 vermindert.

6 Schutzansprüche
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Claims

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1. Elektrische Vakuumschaltröhre mit zwei innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordneten , jeweils aus einem feststehenden und einem beweglichen Kontaktstück bestehenden, koaxial angeordneten Kontaktsysternen, die in separaten Schaltkammern liegen, und von denen die beweglichen Kontaktstücke über bewegliche Kontaktträger und Federbälge stirnseitig aus dem Gehäuse geführt sind und die feststehenden Kontaktstücke zwischen den beweglichen Kontaktstücken liegen und miteinander über eine spule zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes in Reihe geschaltet sind und bei der jeweils ein mit dem feststehenden Kontaktstück leitend verbundener Schirmkörper die Kontaktsysteme umgibt und die Schirmkörper und die feststehenden Kontaktstücke mittels eines feststehenden Trägers im Gehäuse befestigt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die briden feststehenden Kontaktstücke (3) mit dem Schirmkörper (17, 18) durch mindestens ein isolierendes oder

2D zumindest schlecht leitendes Zwischenteil (25) gegeneinander abgestützt sind, daß die Spule (26) jeweils an den Schirmkörpern (17, 18) angeschlossen ist und diese und die Kontaktsysteme (2) gemeinsam koaxial umgibt, daß die Schaltkammern (34) gegeneinander verschlossen sind, und daß als Träger für die Schirmkörper (17, 18) und Kontaktstücke (3) elastische Stege (31) vorgesehen sind.

2. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) im Bereich der Spule (26) metallisch und mit dieser an einer Stelle leitend verbunden ist.

3. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Windung (28) der Spule (26) leitend mit dem Gehäuse (1) verbunden ist.

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4. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet* daß das isolierende oder zumindest schlecht leitende Zwischenteil (25) an der Spule (26) befestigt ist.

5» Vakuumschaltröhre naöh einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (26) durch isolierende oder zumindest schlecht leitende Teile (32) gegen das Gehäuse (1) abgestützt ist. 10

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ö. yaKUumscnaicronre nacn einem uer Hnspi-uunc &khgr; uis ?, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmkörper (17, 18) töpfförmig ausgebildet sind und der dem Zwischenteil (25) zugewandte Böden (16) jeweils das feststehende Kontaktstück (3) tragt.

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