EP0132804B1 - Vakuumschaltröhre, insbesondere für einen Niederspannungsschütz - Google Patents

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EP0132804B1 EP84108617A EP84108617A EP0132804B1 EP 0132804 B1 EP0132804 B1 EP 0132804B1 EP 84108617 A EP84108617 A EP 84108617A EP 84108617 A EP84108617 A EP 84108617A EP 0132804 B1 EP0132804 B1 EP 0132804B1
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insulator
vacuum
switching
insulating cap
switching chamber
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Hans Ing. Bettge
Günther Bialkowski
Ernst-Ludwig Dr. Dipl.-Phys. Hoene
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Siemens AG
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Definitions

  • the present invention relates to a vacuum interrupter according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a vacuum interrupter is known from DE-B-1 261 219.
  • the object on which the present invention is based consists in designing a vacuum interrupter as small and inexpensive as possible in accordance with the preamble of patent claim 1.
  • a small insulator which is only dimensioned according to the operating voltages, is possible in this embodiment, since the creepage distance for the voltage between the switching contacts is considerably larger than the expansion of the insulator in the axial direction due to the design of the insulating material cap.
  • This creep path, along which discharges can occur in practice due to air humidity and pollution in the switched-off state, is namely considerably longer than the insulating distance required in a vacuum.
  • This long creepage distance is ensured on the one hand by the tight fit of the insulating material cap on the insulator and on the other hand by the shaping of the bearing bush for the movable contact to the insulating material cap.
  • the bellows is protected from external damage by the insulating cap. This only needs to have the wall thickness required for the sealing, which is less than 0.2mm.
  • the insulator can consist of glass or a ceramic material, the insulator not having to have a special surface, since the creepage distance is ensured by the insulating material cap. This saves considerable costs.
  • the switching chamber, the insulator and the insulating material cap are advantageously rotationally symmetrical, a shielding ring is soldered onto each of the two end faces of the tubular insulator, the switching chamber or the bellows is welded or soldered onto these shielding rings, both shielding rings have a ring area extending into the interior of the insulator and remains between these annular regions of the two screening rings sufficient for all voltages occurring during operation Isola t ionsddle: the soldering are preferably designed as brazing.
  • a simple method of absorbing temperature fluctuations and vibrations is given by the switching chamber having a curved ring area which lies tangentially on the contact bolt of the fixed contact and is connected to it in a vacuum-tight manner.
  • a welded connection or a brazed connection is particularly suitable as a vacuum-tight connection, since this ensures the required temperature resistance and mechanical strength.
  • a mechanically particularly well protected and easy-to-assemble embodiment is provided in that the insulating cap also envelops the switching chamber, in that a fastening flange is formed on the insulating cap and in that the opening of the insulating cap in the area of the switching chamber is filled with potting material.
  • the mounting flange is advantageously axially parallel if the vacuum interrupter is to be installed horizontally or perpendicular to the axis of rotation on the side of the fixed contact if the vacuum interrupter is to be installed upright.
  • the insulating cap is advantageously made of glass fiber reinforced plastic. It is advantageously integrally connected to the insulator. Gluing with an adhesive is suitable for this.
  • the connection can also be established by potting or by a mechanical snap connection, the shielding ring facing the switching chamber preferably being used or designed as part of the snap connection. All of these types of connections allow the creepage distance to be extended in the desired shape.
  • the switching tube can be installed without additional insulation.
  • a fixed contact 2 and a movable contact 3 are accommodated in a switching chamber 1.
  • a shielding ring 6 is connected to the switching chamber 1 in a vacuum-tight manner, preferably brazed or welded.
  • the shielding ring 6 has an annular region 7 which extends into the interior of the circular ring represented by an insulator 4.
  • the shielding ring 6 is connected to the end face of the insulator 4 in a vacuum-tight manner, preferably brazed or welded.
  • a shielding ring 8 is connected in a vacuum-tight manner to the opposite end face of the insulator 4, said shield ring also having a ring region 7 projecting into the interior of the circular ring formed by the insulator 4. With the shielding ring 8 is also a bellows 9 and this in turn connected to the bolt 10 of the movable contact 3 in a vacuum-tight manner.
  • An insulating material cap 5 tightly encloses the insulator 4 and forms a guide bearing 20 for guiding the bolt 10 of the movable switching contact 3.
  • the insulating cap 5 extends beyond the insulator 4 and forms a fastening flange 11 which is perpendicular to the axis of rotation 12 of the vacuum interrupter.
  • the opening of the insulating material cap 5 is filled with potting material 13 and thereby insulates the switching chamber 1, which in the area of the fixed contact 2 has a curved ring area 14, which preferably lies tangentially on the contact pin 15 of the fixed contact and is connected to it in a vacuum-tight manner.
  • This curved ring area 14 can compensate for changes in length due to temperature fluctuations. This can also absorb vibrations. Vibrations arise in particular from a lateral deflection of the movable contact 3 during the switching process, for example through the current forces occurring when the contact closes.
  • the arrangement of the insulator 4 outside the switching chamber 1 is of considerable importance for reducing the outside diameter of the vacuum interrupter.
  • the inclusion of the insulator 4 in the wall of the switching chamber requires, as shown in the prior art, a complete covering of the insulator by a shielding plate, which also has the required insulation distances in radial direction from the opposite-pole metal parts and the same for the contacts for a high switching capacity must have the required minimum distance, as in the construction according to the invention, the wall of the switching chamber.
  • the simple embodiment of the shielding rings shown is only made possible by the arrangement according to the invention, since only in this way can the necessary insulation distances be maintained without metal vapor being able to reach the insulator between the shielding plates to a disruptive extent.
  • the known designs of such switching tubes require considerably larger dimensions of the tubes because of the insulation distances which are also required there but are less conveniently located.
  • the encapsulation 13 also produces, among other things, the integral connection between the insulating cap 5 and the insulator 4.
  • the insulating cap 5 is advantageously made of glass fiber reinforced plastic. Glass fiber reinforced thermoplastics or thermosets can be used, e.g. "Durethan BKV 30" from Hoechst.
  • Figures 2 and 3 show embodiments in which a flange 16, 17 is arranged axially parallel. 3, the surface 19 of the flange 16 tangentially touches the circumferential line of the insulating cap 5.
  • an axially parallel flange 17 is provided, the plane of symmetry of which includes the axis of rotation of the vacuum interrupter (FIG. 4).
  • cooling fins 18 which, if necessary, can be molded onto the insulating cap 5.

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  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Eine derartige Vakuumschaltröhre ist aus der DE-B-1 261 219 bekannt.
  • Insbesondere bei Niederspannungsschützen müssen bei Betriebsspannungen von etwa 500V bis 1000V Betriebsströme bis 630A sehr häufig geschaltet werden. Schaltspielzahlen von 10 Millionen werden angestrebt. Daher werden an die Dauerwechselfestigkeit der zum vakuumdichten Verbinden des beweglichen Kontaktes mit dem Gehäuse notwendigen Faltenbälge hohe Anforderungen gestellt. Diese müssen bei gegebenem Schalthub relativ gross gehalten werden, um eine Überbelastung des Materials der Faltenbälge zu verhindern. Andererseits ist bei derartigen Schaltspielzahlen mit einem relativ hohen Anfall von abgedampftem Schaltkontaktmaterial zu rechnen, welches von dem zwischen den Kontakten liegenden Isolator ferngehalten werden muss.
  • Ausserdem ist es notwendig, das bewegbare Kontaktstück in der Vakuumschaltröhre axial zu führen, da seitliche Auslenkungen des Faltenbalges dessen Haltbarkeit mindern und da die Kontaktstücke zur Lösung der vorliegenden Schaltaufgabe axial fluchten müssen. Hierzu ist unter anderem ein Führungslager für den bewegbaren Kontakt erforderlich.
  • Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht in einer möglichst kleinen und wenig aufwendigen Gestaltung einer Vakuumschaltröhre gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
  • Ein kleiner, nur nach den Betriebsspannungen dimensionierter Isolator ist in dieser Ausführungsform möglich, da der Kriechweg für die Spannung zwischen den Schaltkontakten durch die Gestaltung der Isolierstoffkappe ganz erheblich grösser ist als die Ausdehnung des Isolators in axialer Richtung. Dieser Kriechweg, entlang dem infolge Luftfeuchtigkeit und Verschmutzung in der Praxis im Ausschaltzustand Entladungen auftreten können, ist nämlich erheblich länger als die im Vakuum erforderliche IsoIierstrecke. Dieser lange Kriechweg ist einerseits durch das enge Anliegen der Isolierstoffkappe am Isolator und andererseits durch die Anformung der Lagerbuchse für den beweglichen Kontakt an die Isolierstoffkappe gewährleistet. Gleichzeitig wird durch die Isolierstoffkappe der Faltenbalg vor äusseren Beschädigungen geschützt. Dieser braucht nur die für die Abdichtung erforderliche Wandstärke aufzuweisen, die unter 0,2mm liegt.
  • Der Isolator kann bei der vorgeschlagenen Vakuumschaltröhre aus Glas oder einem keramischen Werkstoff bestehen, wobei der Isolator keine besondere Oberfläche aufzuweisen braucht, da der Kriechweg durch die Isolierstoffkappe sichergestellt ist. Dadurch werden beträchtliche Kosten eingespart.
  • Vorteilhaft sind die Schaltkammer, der Isolator und die Isolierstoffkappe rotationssymmetrisch, auf die beiden Stirnseiten des rohrförmigen Isolators ist je ein Abschirmring aufgelötet, auf diese Abschirmringe die Schaltkammer bzw. der Federbalg aufgeschweisst oder aufgelötet, weisen beide Abschirmringe einen sich in den Innenraum des Isolators erstreckenden Ringbereich auf und verbleibt zwischen diesen Ringbereichen der beiden Abschirmringe eine für alle im Betrieb auftretenden Spannungen ausreichende Isolationsstrecke: Die Lötungen sind vorzugsweise als Hartlötungen ausgeführt.
  • Eine einfache Methode, Temperaturschwankungen und Vibrationen aufzufangen, ist gegeben, indem die Schaltkammer einen gekrümmten Ringbereich aufweist, welcher tangential am Kontaktbolzen des festen Kontaktes anliegt und mit diesem vakuumdicht verbunden ist.
  • Als vakuumdichte Verbindung eignet sich hier insbesondere eine Schweissverbindung oder eine Hartlötverbindung, da hierdurch die erforderliche Temperaturbeständigkeit und die mechanische Festigkeit gewährleistet sind.
  • Eine mechanisch besonders gut geschützte und einfach zu montierende Ausführungsform ist gegeben, indem die Isolierstoffkappe auch die Schaltkammer einhüllt, indem an die Isolierstoffkappe ein Befestigungsflansch angeformt ist und indem die Öffnung der Isolierstoffkappe im Bereich der Schaltkammer mit Vergussmaterial gefüllt ist. Dabei verläuft der Befestigungsflansch vorteilhaft achsparallel, wenn die Vakuumschaltröhre liegend eingebaut werden soll oder senkrecht zur Rotationsachse auf der Seite des festen Kontaktes, wenn die Vakuumschaltröhre stehend eingebaut werden soll.
  • Die Isolierstoffkappe besteht vorteilhaft aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Sie ist vorteilhaft mit dem Isolator stoffschlüssig verbunden. Hierzu eignet sich ein Einkleben mit einem Kleber. Die Verbindung kann auch durch Vergiessen oder durch eine mechanische Schnappverbindung hergestellt werden, wobei vorzugsweise der der Schaltkammer zugewandte Abschirmring als ein Teil der Schnappverbindung eingesetzt bzw. gestaltet wird. Alle diese Verbindungsarten ermöglichen eine Verlängerung des Kriechweges in der gewünschten Form.
  • Durch die beschriebene Gestaltung der Befestigungsflansche kann die Schaltröhre ohne Zusatzisolation eingebaut werden. Dies bedeutet unter anderem, dass sich die elektrischen Anschlüsse der Schaltröhren im Schaltgerät kostengünstig gestalten lassen, da ein Trennen der mechanischen Funktion (Halterung) von der elektrischen Funktion (Stromführung) ermöglicht ist.
  • Die Erfindung wird nun anhand von vier Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemässen Vakuumschaltröhre.
    • Fig.1 zeigt eine Ausführungsform mit einem zur Rotationsachse senkrecht liegenden Befestigungsflansch, die
    • Fig. 2 bis 4 zeigen Ausführungsformen mit achsparallelen Befestigungsflanschen.
  • In einer Schaltkammer 1 sind ein fester Kontakt 2 und ein bewegbarer Kontakt 3 untergebracht. Mit der Schaltkammer 1 ist ein Abschirmring 6 vakuumdicht verbunden, vorzugsweise hartgelötet oderverschweisst. Der Abschirmring 6 weist einen Ringbereich 7 auf, welcher sich in den Innenraum des durch einen Isolator 4 dargestellten Kreisringes erstreckt. Der Abschirmring 6 ist mit der Stirnseite des Isolators 4 vakuumdicht verbunden, vorzugsweise hartgelötet oder verschweisst.
  • Mit der gegenüberliegenden Stirnseite des lsolators 4 ist ein Abschirmring 8 vakuumdicht verbunden, weicher ebenfalls einen in den Innenraum des durch den Isolator 4 gebildeten Kreisringes ragenden Ringbereich 7 aufweist. Mit dem Abschirmring 8 ist ausserdem ein Faltenbalg 9 und dieser wiederum mit dem Bolzen 10 des beweglichen Kontaktes 3 vakuumdicht verbunden.
  • Eine Isolierstoffkappe 5 umschliesst den Isolator 4 eng anliegend und bildet ein Führungslager 20 zur Führung des Bolzens 10 des bewegbaren Schaltkontaktes 3.
  • Die Isolierstoffkappe 5 reicht über den Isolator 4 hinaus und bildet einen Befestigungsflansch 11, welcher auf der Rotationsachse 12 der Vakuumschaltröhre senkrecht steht.
  • Die Öffnung der Isolierstoffkappe 5 ist mit Vergussmaterial 13 gefüllt und isoliert dadurch die Schaltkammer 1, welche im Bereich des festen Kontaktes 2 einen gekrümmten Ringbereich 14 aufweist, welcher vorzugsweise tangential am Kontaktbolzen 15 des festen Kontaktes anliegt und mit diesem vakuumdicht verbunden ist. Durch diesen gekrümmten Ringbereich 14 können Längenänderungen infolge Temperaturschwankungen ausgeglichen werden. Auch Vibrationen können hierdurch aufgefangen werden. Vibrationen entstehen insbesondere durch eine seitliche Auslenkung des beweglichen Kontaktes 3 beim Schaltvorgang, beispielsweise durch die beim Schliessen des Kontaktes auftretenden Stromkräfte.
  • Die Anordnung des Isolators 4 ausserhalb der Schaltkammer 1 ist für eine Verkleinerung des Aussendurchmessers der Vakuumschaltröhre von erheblicher Bedeutung. Eine Einbeziehung des Isolators 4 in die Wand der Schaltkammer erfordert nämlich, wie im Stand der Technik gezeigt, eine vollständige Abdeckung des Isolators durch ein Abschirmblech, wobei dieses zu gegenpoligen Metallteilen auch in radialer Richtung die erforderlichen Isolationsabstände und zu den Kontakten denselben für eine hohe Schaltleistung erforderlichen Mindestabstand aufweisen muss, wie beim erfindungsgemässen Aufbau die Wand der Schaltkammer. Die gezeigte einfache Ausführungsform der Abschirmringe ist durch die erfindungsgemässe Anordnung erst ermöglicht, da nur so die notwendigen Isolationsstrecken eingehalten werden können, ohne dass in störendem Masse Metalldampf durch die Isolationsstrecken zwischen den Abschirmblechen auf den Isolator gelangen kann. Die bekannten Aufbauformen derartiger Schaltröhren bedingen wegen der auch dort erforderlichen, aber weniger günstig liegenden Isolationsstrecken erheblich grössere Abmessungen der Röhren.
  • Durch den Verguss 13 ist unter anderem auch die stoffschlüssige Verbindung zwischen der lsolierstoffkappe 5 und dem Isolator 4 hergestellt. Die Isolierstoffkappe 5 besteht vorteilhaft aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Dabei können glasfaserverstärkte Thermoplaste oder Duroplaste eingesetzt werden, wie z.B. «Durethan BKV 30» der Firma Hoechst.
  • Die Figuren 2 und 3 zeigen Ausführungsformen, in denen ein Flansch 16, 17 achsparallel angeordnet ist. Eine Oberfläche 19 des Flansches 16 berührt gemäss Fig. 3 die Umfangslinie der Isolierstoffkappe 5 tangential.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist ein achsparalleler Flansch 17 vorgesehen, dessen Symmetrieebene die Rotationsachse der Vakuumschaltröhre beinhaltet (Fig. 4).
  • In Fig. 4 sind ausserdem Kühlrippen 18 dargestellt, welche bei Bedarf an die Isolierstoffkappe 5 angeformt sein können.

Claims (10)

1. Vakuumschaltröhre, insbesondere für Niederspannungsschütze, welche in einer Schaltkammer (1 ) einen festen (2) und einen bewegbaren (3) Schaltkontakt mit einem Anschlussbolzen (10) enthält, wobei die Schaltkontakte (2, 3) koaxial zueinander angeordnet sind und in axialer Richtung gegeneinander bewegt werden können, welche ein aus zumindest einem hochtemperaturbeständigen Isolator (4) und Metallteilen zusammengesetztes Gehäuse, eine Einrichtung (6) zur Abschirmung des beim Schalten entstehenden Metalldampfes vom Isolator (4), ein Führungslager (20) für den bewegbaren Kontakt (3) und einen zur Vakuumabdichtung des bewegbaren Kontaktes geeigneten Faltenbalg (9) besitzt, wobei der Faltenbalg (9) ausserhalb der Schaltkammer (1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkammer (1) durch ein Metallgefäss gebildet ist, an welches sich der Isolator (4) in axialer Richtung anschliesst, dass der Isolator (4) ausserhalb der Schaltkammer (1) liegt und in axialer Richtung eine nur geringe Ausdehnung aufweist, welche zumindest zur Isolation der beiden Pole des Vakuumschalters bei den im Betrieb im Inneren der Schaltröhre zu erwartenden Spannungen ausreicht, dass die Einrichtung zur Abschirmung (6) die Schaltkammer (1) in axialer Richtung begrenzt, dass sich an die von der Schaltkammer (1 ) abgewandte Seite des Isolators (4) der Faltenbalg (9) anschliesst, dass der Isolator (4) und der Faltenbalg (9) von einer Isolierstoffkappe (5) umgeben sind, dass diese Isolierstoffkappe (5) am Isolator (4) eng anliegt und dass an diese Isolierstoffkappe (5) ein Führungslager (20) für den Anschlussbolzen (10) des bewegbaren Kontaktes (3) angeformt ist.
2. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkammer (1), der Isolator (4) und die Isolierstoffkappe (5) rotationssymmetrisch sind, dass auf die beiden Seiten des Isolators (4) je ein Abschirmring (6, 8) aufgelötet und auf diese Abschirmringe (6, 8) die Schaltkammer (1) bzw. der Faltenbalg (9) aufgeschweisst oder hartaufgelötet sind, dass beide Abschirmringe (6,8) einen sich in den Innenraum des durch den Isolator (4) dargestellten Kreisringes erstreckenden Ringbereich (7) aufweisen und dass zu und zwischen diesen Ringbereichen (7) der beiden Abschirmringe (6, 8) für alle im Betrieb auftretenden Spannungen ausreichend lange lsolierstrecken verbleiben.
3. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkammer (1) einen gekrümmten Ringbereich (14) aufweist, welcher am Kontaktbolzen (15) des festen Kontaktes (2) anliegt und mit diesem vakuumdicht verbunden ist.
4. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lsolierstoffkappe (5) auch die Schaltkammer (1 ) umhüllt, dass an die Isolierstoffkappe (5) ein Befestigungsflansch (11; 16; 17) angeformt ist und dass die Öffnung der lsolierstoffkappe (5) im Bereich der Schaltkammer (1) mit Vergussmaterial (13) gefüllt ist.
5. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsflansch (16, 17) achsparallel verläuft.
6. Vakuumschaltröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsflansch (11) senkrecht zur Rotationsachse und auf der Seite des festen Kontaktes angeordnet ist.
7. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierstoffkappe aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht.
8. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprü- che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Isolierstoffkappe (5) und dem Isolator (4) stoffschlüssig gestaltet ist.
9. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7,dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Isolierstoffkappe (5) und dem lsolator (4) durch eine Schnappeinrichtung an dem die Schaltkammer (1) begrenzenden Abschirmring (6) gewährleistet ist.
10. Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an die Isolierstoffkappe Kühlrippen (18) angeförmt sind.
EP84108617A 1983-07-29 1984-07-20 Vakuumschaltröhre, insbesondere für einen Niederspannungsschütz Expired EP0132804B1 (de)

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