EP0780868B1 - Elektrisch leitender Schirm für einen Vakuumschalter - Google Patents

Elektrisch leitender Schirm für einen Vakuumschalter Download PDF

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EP0780868B1
EP0780868B1 EP19960308893 EP96308893A EP0780868B1 EP 0780868 B1 EP0780868 B1 EP 0780868B1 EP 19960308893 EP19960308893 EP 19960308893 EP 96308893 A EP96308893 A EP 96308893A EP 0780868 B1 EP0780868 B1 EP 0780868B1
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EP
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shield
domes
lip
assembly
inner element
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EP0780868A2 (de
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John Rand
Leslie Thomas Falkingham
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GE Power UK
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Alstom UK Ltd
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66261—Specific screen details, e.g. mounting, materials, multiple screens or specific electrical field considerations
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    • H01H33/66261—Specific screen details, e.g. mounting, materials, multiple screens or specific electrical field considerations
    • H01H2033/66276—Details relating to the mounting of screens in vacuum switches

Definitions

  • the invention concerns an electrically conductive shield for a vacuum switching device, in particular a vacuum interrupter, also a unit to be assembled by brazing and a method for assembling a unit by brazing.
  • Vacuum interrupters are commonly used in electrical equipment for interrupting an AC supply in the event of a fault, e.g. a short-circuit on a power line.
  • a typical vacuum interrupter is shown in very general terms in Figure 1.
  • the interrupter comprises an insulator 10, normally a ceramic, housing two electrically conductive contacts 11, 12. Contacts 11, 12 are taken out of the interrupter unit by means of respective stems 13, 14, the stems terminating in end-portions 15, 16 for connection to further electrical equipment (not shown).
  • the end-portions 15, 16 may have external or internal threads for effecting the connections.
  • the bellows unit 17 allows axial movement of the stem 14 to make and break, selectively, electrical contact between the contacts 11 and 12, contact 11 and stem 13 being fixed relative to the insulator 10.
  • the shield 18 is an electrically conductive component which serves two main purposes: to prevent an arc, which is drawn when the contacts are separated, from striking the insulator, and to impede the deposition of metal vapour, which is given off from the contacts when the arc is present, on the insulator.
  • the shield may be substantially circular cylindrical, said means for effecting self-centering comprising three outwardly facing domes formed from said shield as dimples therein, said domes being disposed at substantially equal distances around a circumference of said shield.
  • the domes may be formed from a portion of the shield which lies substantially parallel to a longitudinal axis of the shield.
  • the shield may comprise first and second shield members, said first and second shield members each comprising means for effecting self-centering of the respective shield member within the vacuum interrupter upon application of heat to said shield.
  • Said shield members may be substantially circular cylindrical, a portion of at least said first shield. member being substantially parallel to a longitudinal axis of the shield, said means for effecting self-centering of said first shield member comprising three outwardly facing domes made from said portion of said first shield member as dimples therein, said domes being disposed at substantially equal distances around a circumference of said portion, and said means for effecting self-centering in said second shield member comprising an outwardly turned lip at one end of said second shield member.
  • Said first and second shield members may have corresponding first ends to be positioned adjacent each other, said substantially parallel portion of said first shield member being disposed at the first end of said first shield member and said outwardly turned lip of said second shield member being disposed at the first end of said second shield member.
  • the first shield member may comprise an attachment means for allowing attachment of said first shield member to an insulating wall of the vacuum interrupter.
  • the attachment means may comprise a brazable, outwardly facing lip disposed at said first end of said first shield member.
  • a maximum outside diameter of said first shield member, taking into account said domes, may be substantially the same as an outside diameter of the outwardly turned lip of said second shield member.
  • the shield may be made from a soft, high-expansion material, which may be copper.
  • a vacuum switching device to be assembled by brazing, as defined in claim 14.
  • the means for effecting self-centering may comprise three outwardly facing domes formed from said inner element as dimples therein, said domes being disposed at substantially equal distances around a circumference of said inner element, said inner element having when cold, and taking account of said domes, a maximum outside diameter less than an inside diameter of said housing arrangement.
  • the domes may be formed from a portion of said inner element which lies substantially parallel to a longitudinal axis of the inner element.
  • Said housing arrangement may comprise two outer, substantially circular cylindrical, concentric elements, and said attachment means may comprise a brazable, outwardly facing lip for sandwiching between said outer elements.
  • Said inner element may be composed of a softer material than said housing arrangement.
  • Said inner element may be made from copper, and said housing arrangement may be made from a ceramic.
  • said lip of said inner element may be secured by brazing between said outer elements and said domes may touch one of said outer elements and be distorted at a point of contact with said one of said outer elements.
  • Said device may comprise a further circular cylindrical inner element having at one end thereof an outwardly facing lip, said lip of said further inner element having when cold a third, outside diameter less than said first, inside diameter, the method including after step (a) the step of positioning said further inner element on top of said inner element such that the lip of said further inner element touches the lip of said inner element, the method in step (b) allowing said third, outside diameter to increase until the lip of said further inner element touches one of said outer elements, and the method in step (c) allowing an end-portion of said further inner element adjacent said lip to distort in shape during said increase in temperature.
  • Said device may be a vacuum switching device, said outer elements may be ceramic insulators and said inner elements may constitute a conductive shield.
  • a vacuum interrupter according to an aspect of the invention is illustrated comprising a pair of contacts 11, 12 on stems 13, 14 (these components being shown by dotted lines) with associated end-stubs 15, 16, two outer ceramic insulator elements 8, 9 making up an insulator housing arrangement 10, and an electrically conductive shield 18 consisting of first and second shield members 19, 20.
  • Two end-rings 23 and 24 form anchoring points for their associated stems and end-stubs relative to the ceramic insulators 8, 9.
  • the whole interrupter assembly is meant to be brazed together in one operation, and in order to maintain a central position of the shield members within the assembly, the shield members are equipped with self-centering means as shown in Figure 3.
  • Figure 3(a) shows the preferred form of the first shield member 19, which is circular cylindrical like the ceramic insulator elements and includes portions 30, 31 substantially parallel to a longitudinal axis 26 of the assembly and non--parallel, i.e. tapering, portions 32, 33.
  • the most notable feature of this shield member is the presence of small domes 33 (see also Figure 1) in the substantially parallel portion 30 of the shield.
  • Domes 33 are made from the shield wall itself and form dimple-like structures viewed from inside the shield member 19 and roughly hemispherical projections when viewed from outside the shield member.
  • the height of the domes from the wall of the shield portion 30 is such that an outside diameter 34 of the shield member is, when the assembly is cold and in an unbrazed state, slightly less than an inside diameter of the ceramic insulator elements 8, 9 and significantly less than an outside diameter 35 of a lip 36 formed in the end of the shield member 29 nearest the domes 33 (see Figure 4).
  • the lip 36 is designed to be sandwiched between brazable end-faces of the insulator elements 8, 9, and to this end the outside diameter 35 is arranged to be approximately equal to the outside diameter of the insulator elements 8, 9 (see Figure 2).
  • Figure 3(b) shows a view of the second shield member 20.
  • This member has an outwardly turned lip 40 which is approximately of the same outside diameter as that of the first shield member 19, taking into account the domes 33, i.e. the outside diameter 34.
  • the interrupter is assembled with the aid of a jig 50, which comprises a base 51, three location rods 52 (only two are shown) fixed to the base 51 at equidistant points around its circumference and three location discs 53.
  • the lower two discs 53 are maintained at a desired spacing relative to each other by way of spacers 54 (only one is shown).
  • Assembly is commenced by the insertion of the end-stub 15 of the interrupter into the base 51.
  • the fixed end-ring 23 i.e. the end-ring associated with the fixed contact 11
  • the fixed conductor arrangement consisting of the contact 11 and the stem 13 is mounted on the end-ring 23.
  • the fixed-end ceramic 8 is positioned on top of the end-ring 23, being guided by the lowest of the three location discs 53, and the first shield member 19 is positioned on top of the ceramic 8 so that the lip 36 rests on the upper brazable surface of the ceramic 8.
  • the domes 33 on the shield member 19 are dimensioned so that there is a clearance fit between that member and the ceramic element 8 when the member 19 is positioned in the jigged assembly.
  • the moving conductor arrangement consisting of the contact 12 and the stem 14 is placed on top of the contact 11, followed by positioning of the second shield member 20 on top of the first shield member 19.
  • the upper ceramic element 9 is then placed on top of the lip 36 of the first shield member, being located by the middle locating ring 53. Again, there is a clearance fit between the second shield member and the upper ceramic element 9.
  • a bellows unit (not shown) is then fitted, then the end-stub 16.
  • the bellows unit is held in position by the upper locating ring 53.
  • the end-ring 24 is mounted on the upper ceramic 9.
  • brazing ring is supplied in series with the components concerned.
  • a large weight 55 is placed on top of the end-ring 24 to squeeze the outer joints (e.g. the joint between the ceramic elements 8 and 9 and the lip 36 of the first shield member 19).
  • the whole jigged assembly is then placed into an oven, which is evacuated down to 10 -6 mbar and then heated to a temperature of up to 800°C.
  • both the shield members 19, 20 and the insulator elements 8, 9 expand, but at different rates, the shield members, being copper, expanding at a greater rate than the ceramic elements 8, 9.
  • the brazing agent melts, the shield members start to "float" with respect to the ceramic insulators and, as the temperature increases, the domes 33 of the first shield member and the lip 40 of the second shield member touch the inner walls of their respective ceramic elements to provide an interference fit between these parts, the shield members being then centralised within the assembly.
  • a further increase in temperature causes both the domes 33 and the lip 40 to strain against the ceramic walls; however, because the shield is made from soft copper, the domes and the end-portion of the second shield member adjacent the lip both distort, so that no damage is caused to the ceramic.
  • Figure 6 shows the distortion process of the first and second shield members, whereby the domes 33 are flattened against the ceramic 8, while the end-portion 41 of the second shield member 20 near the lip 40 distorts as shown.
  • the assembly is then allowed to cool to a temperature at which the brazing agent sets and the assembly is made rigid. Upon further cooling, the metal parts of the assembly contract toward their normal dimensions, except those parts which are secured by brazing, e.g. the lip 36 of the first shield member 19 and the lip 40 of the second shield member 20.
  • domes on the first shield member have been described as being essentially hemispherical in shape, in practice any convenient shape may be employed which allows easy deformation on contact with the ceramic housing:

Landscapes

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

Claims (23)

  1. Anordnung, die eine äußere Wand (8) eines Vakuumschalters und einen elektrisch leitfähigen Schirm (19; 20) innerhalb der äußeren Wand umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
       der Schirm Zentrierungsmittel (33; 40) aufweist, die von diesem vorstehen, um eine Selbstzentrierung des Schirms innerhalb des Vakuumschalters bei Erhitzen der Anordnung zu bewirken,
       wobei die Zentrierungsmittel (33; 40) während der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des Schirms relativ zu der äußeren Wand bei dieser Erhitzung gegen die äußere Wand (8) verformbar sind,
       wobei die Zentrierungsmittel in Bezug auf die äußere Wand derart bemessen sind, dass vor der Erhitzung zwischen dem Schirm (19; 20) und der äußeren Wand (8) eine Spielpassung besteht.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher der Schirm im Wesentlichen zylindrisch ist und die Zentrierungsmittel zum Bewirken der Selbstzentrierung drei nach außen zeigende Vorwölbungen (33) umfassen, die an dem Schirm als Dellen in diesem ausgeformt sind, wobei die Vorwölbungen in im Wesentlichen gleichen Abständen um den Umfang des Schirms herum angeordnet sind.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, bei welcher die Vorwölbungen (33) an einem Abschnitt des Schirms (30) ausgeformt sind, der im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Schirms liegt.
  4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der elektrisch leitfähige Schirm ein erstes und ein zweites Schirmelement (19, 20) umfasst, wobei an dem ersten und an dem zweiten Schirmelement jeweils Zentrierungsmittel (33; 40) vorgesehen sind, um eine Selbstzentrierung des jeweiligen Schirmelements innerhalb des Vakuumschalters bei Erhitzung der Anordnung zu bewirken.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, bei welcher die Schirmelemente im Wesentlichen zylindrisch sind, wobei die Zentrierungsmittel zum Bewirken der Selbstzentrierung des ersten Schirmelements (19) drei nach außen zeigende Vorwölbungen (33) umfassen, die an dem ersten Schirmelement als Dellen in diesem ausgeformt sind, wobei die Vorwölbungen in im Wesentlichen gleichen Abständen um den Umfang des Schirmelements herum angeordnet sind und wobei die Zentrierungsmittel zum Bewirken der Selbstzentrierung des zweiten Schirmelements (20) eine nach außen gedrehte Kante (40) an einem Ende des zweiten Schirmelements umfassen.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, bei welcher die Vorwölbungen (33) an einem Abschnitt (30) des ersten Schirmelements ausgeformt sind, der im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Schirms liegt.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, bei welcher das erste und das zweite Schirmelement (19, 20) entsprechende erste Enden aufweisen, die angrenzend aneinander anzuordnen sind, wobei der im Wesentlichen parallele Abschnitt (30) des ersten Schirmelements an dem ersten Ende des ersten Schirmelements vorgesehen ist und die nach außen gedrehte Kante (40) des zweiten Schirmelements an dem ersten Ende des zweiten Schirmelements vorgesehen ist.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, bei welcher das erste Schirmelement (19) ein Befestigungsmittel (36) umfasst, um die Anbringung des ersten Schirmelements an einer isolierenden Wand (10) des Vakuumunterbrechers zu ermöglichen.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, bei welcher das Befestigungsmittel (36) einen hartlötbaren, nach außen zeigenden Flansch (36) umfasst, der an dem ersten Ende des ersten Schirmelements (19) angeordnet ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 8, bei welcher ein maximaler Außendurchmesser (34) des ersten Schirmelements (19), die Vorwölbungen (33) eingerechnet, im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der nach außen gedrehten Kante (40) des zweiten Schirmelements ist.
  11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Schirm aus einem weichen Material mit hohem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt ist.
  12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei das Material Kupfer ist.
  13. Vakuumschalter, der eine Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  14. Vakuumschalter, der durch Hartlöten zusammenzubauen ist, welcher eine äußere, im Wesentlichen zylindrische Gehäuseanordnung (10) und ein inneres, im Wesentlichen zylindrisches Schirmelement (19) umfasst, das innerhalb der Gehäuseanordnung angeordnet ist, wobei das innere Element ein Befestigungsmittel (36) zum Anbringen des inneren Elements an der Gehäuseanordnung durch Hartlöten umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
       das innere Element (19) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Gehäuseanordnung aufweist; und dass
       Zentrierungsmittel (33) von dem inneren Element vorstehen, um eine Selbstzentrierung des inneren Elements innerhalb der Gehäuseanordnung bei Erhitzung des Schalters zu bewirken, wobei die Zentrierungsmittel (33) während der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des Schirms relativ zu der äußeren Gehäuseanordnung bei dieser Erhitzung gegen die Gehäuseanordnung (10) verformbar sind, wobei die Zentrierungsmittel in Bezug auf die Gehäuseanordnung derart bemessen sind, dass vor der Erhitzung zwischen dem Schirmelement (19) und der Gehäuseanordnung eine Spielpassung besteht.
  15. Vakuumschalter nach Anspruch 14, bei welchem die Zentrierungsmittel zum Bewirken der Selbstzentrierung drei nach außen zeigende Vorwölbungen (33) umfassen, die an dem inneren Element als Dellen in diesem ausgeformt sind, wobei die Vorwölbungen in im Wesentlichen gleichen Abständen um den Umfang des inneren Elements herum angeordnet sind, wobei das innere Element, wenn es kalt ist, und die Vorwölbungen eingerechnet, einen maximalen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der Innendurchmesser der Gehäuseanordnung ist.
  16. Vakuumschalter nach Anspruch 15, bei welchem die Vorwölbungen (33) an einem Abschnitt des inneren Elements (30) ausgeformt sind, der im Wesentlichen parallel zu der Längsachse der Gehäuseanordnung liegt.
  17. Vakuumschalter nach Anspruch 16, bei welchem die Gehäuseanordnung zwei äußere, im Wesentlichen zylindrische, konzentrische Elemente (8, 9) umfasst und das Befestigungsmittel einen hartlötbaren, nach außen zeigenden Flansch (36) zur Anordnung in Zwischenlage zwischen den äußeren Elementen umfasst.
  18. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei welchem das innere Element aus einem weicheren Material als die Gehäuseanordnung besteht.
  19. Vakuumschalter nach Anspruch 18, bei welchem das innere Element aus Kupfer besteht und die Gehäuseanordnung aus einer Keramik besteht.
  20. Vakuumschalter nach Anspruch 19, bei welchem, im hartgelöteten Zustand der Einheit, der Flansch (36) des inneren Elements durch Hartlöten zwischen den äußeren Elementen (8, 9) befestigt ist und die Vorwölbungen (33) das eine der äußeren Elemente (8) berühren und an einem Kontaktpunkt mit diesem einen der äußeren Elemente verformt sind.
  21. Verfahren zum Zusammenbauen des Vakuumschalters nach Anspruch 14 durch Hartlöten, wobei der Schalter umfasst: zwei äußere zylindrische Elemente (8, 9) mit einem ersten, inneren Durchmesser, wobei die äußeren Elemente hartlötbare Endflächen aufweisen, sowie ein inneres, zylindrisches Schirmelement (19), wobei das innere Schirmelement einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und aus einem weicheren Material besteht als die äußeren Elemente und an einem Ende einen hartlötbaren, nach außen zeigenden Flansch (36) im Wesentliche senkrecht zu der Längsachse des inneren Schirmelements aufweist, wobei das innere Schirmelement drei nach außen zeigende Vorwölbungen (33) umfasst, die an dem inneren Element als Dellen in diesem ausgeformt sind, wobei die Vorwölbungen in im Wesentlichen gleichen Abständen um den Umfang des inneren Schirmelements herum angeordnet sind, wobei das innere Schirmelement, wenn es kalt ist, und die Vorwölbungen eingerechnet, einen zweiten, äußeren Durchmesser (34) aufweist, der kleiner als der erste, innere Durchmesser ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    (a) Zusammenbauen des Schalters, indem der Flansch (36) des inneren Schirmelements (19) zusammen mit einem festen Hartlötmittel in Zwischenlage zwischen benachbarte Endflächen der äußeren Elemente gebracht wird;
    (b) in einem Vakuum: Erhöhen der Temperatur des Schalters und Ermöglichen, dass das Hartlötmittel fließt und dass der zweite, äußere Durchmesser (34) zunimmt, bis die Vorwölbungen (33) eines der äußeren Elemente (8) berühren, wobei eine Selbstzentrierung durch eine schwimmende Verschiebungsbewegung des inneren Schirmelements (19) in Bezug auf die äußeren Elemente (8, 9) erfolgt;
    (c) weiteres Erhöhen der Temperatur, bis sich die Vorwölbungen (33) verformen;
    (d) Absenken der Temperatur, sodass sich das Hartlötmittel verfestigen kann.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem der Vakuumschalter ein weiteres zylindrisches, inneres Element (20) umfasst, das an seinem einen Ende eine nach außen zeigende Kante (40) aufweist, wobei die Kante des weiteren inneren Elements (20), wenn sie kalt ist, einen dritten, äußeren Durchmesser aufweist, der kleiner als der erste, innere Durchmesser ist, wobei das Verfahren
       nach Schritt (a) den Schritt umfasst, das weitere innere Element (20) derart auf der Oberseite des inneren Elements (19) anzuordnen, dass die Kante (40) des weiteren inneren Elements den Flansch (36) des inneren Elements (19) berührt; wobei das Verfahren
       in Schritt (b) ermöglicht, dass der dritte, äußere Durchmesser zunimmt, bis die Kante (40) des weiteren inneren Elements (20) eines der äußeren Elemente berührt; und wobei das Verfahren
       in Schritt (c) ermöglicht, dass sich ein Endabschnitt des weiteren inneren Elements (20) angrenzend an die Kante (40) während dieser Temperaturerhöhung verformt.
  23. Verfahren nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, bei welchem die äußeren Elemente keramische Isolatoren sind und die inneren Elemente einen leitfähigen Schirm darstellen.
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