EP2452352B1

EP2452352B1 - Vakuumschaltröhre

Info

Publication number: EP2452352B1
Application number: EP10726071.3A
Authority: EP
Inventors: Roman Renz; Ulf SCHÜMANN
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2030-06-18
Also published as: BR112012000405A2; US20130062316A1; DE102009031598A1; CN102473548B; EP2452352A1; AU2010270499B2; RU2012103826A; BR112012000405B1; US8847097B2; PT2452352E; RU2510094C2; CA2767224A1; CN102473548A; DE102009031598B4; WO2011003719A1; CA2767224C; MX2012000216A; ES2545396T3; AU2010270499A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre mit einem Gehäuse, welches zwei bezüglich einer Mittenebene symmetrisch angeordnete und ausgebildete Isolierstoffgehäusebereiche aufweist, wobei jeder der beiden Isolierstoffgehäusebereiche mehrere Isolierstoffgehäuseteile umfasst.
Eine derartige Vakuumschaltröhre ist aus der DE 10029763B4 bekannt. Die dort offenbarte Vakuumschaltung weist ein Gehäuse auf, welches zwei bezüglich einer Mittenebene symmetrisch angeordnete und ausgebildete Isolierstoffgehäusebereiche aufweist. Jeder der beiden Isolierstoffgehäusebereiche umfasst dabei mehrere Isolierstoffgehäuseteile, im Falle der DE 10029763B4 sind zwei Isolierstoffgehäuseteile in Form von Keramikzylindern für jeden der beiden Isolierstoffgehäusebereiche vorgesehen. Die Länge der einzelnen Isolierstoffgehäuseteile ist dabei bestimmt durch eine maximale dielektrische Belastung der Vakuumschaltröhre entsprechend der Bemessungsspannung, für die die Vakuumschaltröhre ausgelegt ist sowie abhängig von innerer Geometrie der Vakuumschaltröhre und kapazitiven Ankopplungen an äußere Gegebenheiten, beispielsweise ein geerdetes Gehäuse eines Leistungsschalters, in welchem die Vakuumschaltröhre verwendet wird. Die Länge der einzelnen Isolierstoffgehäuseteile ist dabei so bemessen, dass die Vakuumschaltröhre die nötige Überschlagsfestigkeit aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vakuumschaltröhre der eingangs genannten Art weiterzubilden, welche bei einer hohen dielektrischen Festigkeit eine kompakte Bauweise aufweist.
Erfindungsgemäß gelöst wird dies bei einer Vakuumschaltröhre der eingangs genannten Art dadurch, dass das von der Mittenebene entferntest angeordnete Isolierstoffgehäuseteil jedes Isolierstoffgehäusebereiches eine Länge aufweist, welche Größer ist als die Länge der weiteren Isolierstoffgehäuseteile.
Eine größere Länge der von der Mittenebene entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteile jedes Isolierstoffgehäusebereichs der Vakuumschaltröhre ist vorteilhaft, weil eine sich über der Vakuumschaltröhre in axialer Richtung einstellende Potenzialverteilung sich erfahrungsgemäß nicht über der Vakuumschaltröhre linear verteilt, sondern die von der Mittenebene entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteile die größte Beanspruchung erfahren. Dies liegt daran, dass Potenzialdifferenzen pro Isolierstoffgehäuseteil von einem Ende der Vakuumschaltröhre zum anderen Ende der Vakuumschaltröhre stetig zunehmen, so dass das letzte Isolierstoffgehäuseteil die stärkste Belastung erfährt. Bei Wechselstromsystemen ändert sich weiterhin die Polarität der an der Röhre anliegenden Potenziale, so dass die beiden von der Mittenebene der Vakuumschaltröhre entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteile abwechselnd die größten Belastungen erfahren. Die Länge dieser entferntest von der Mittenebene angeordneten Isolierstoffgehäuseteile bestimmt sich daher aus der benötigten dielektrischen Festigkeit bzw. der Überschlagsfestigkeit, für welche die Vakuumschaltröhre geeignet sein soll. Weitere Isolierstoffgehäuseteile, welche eine geringere Entfernung zur Mittenebene der Vakuumschaltröhre aufweisen, erfahren eine geringere dielektrische Belastung und können folglich eine geringere Länge aufweisen, so dass mit einer derartig ausgebildeten Vakuumschaltröhre ein kompakter Aufbau ermöglicht ist bei gleichbleibender hoher dielektrischer Festigkeit der Vakuumschaltröhre. Mittenebene im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei eine senkrecht zur Längsachse der Vakuumschaltröhre verlaufende Ebene, bezüglich derer das Gehäuse der Vakuumschaltröhre im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet ist, wobei das Gehäuse neben den Isolierstoffgehäuseteilen in für Vakuumschaltröhren bekannter Form metallische Deckelteile aufweist, durch welche sich Kontaktanschlüsse für Festkontakt und Bewegkontakt der Vakuumschaltröhre vakuumdicht hindurch ins Innere der Vakuumschaltröhre hinein erstrecken. Die Isolierstoffgehäuseteile sind vorteilhafterweise in Form von Keramikzylindern ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die weiteren Isolierstoffgehäuseteile mit abnehmender Entfernung von der Mittenebene eine abnehmende Länge auf. Eine derartige Abnahme der Länge der weiteren Isolierstoffgehäuseteile führt in einfacher Weise zu einer weiteren kompakten Bauform der Vakuumschaltröhre bei hoher dielektrischer Festigkeit, weil die dielektrische Belastungen mit geringer werdendem Abstand zur Mittenebene der Vakuumschaltröhre geringer wird, so dass die Anforderungen an die Länge der Isolierstoffgehäuseteile ebenfalls geringer werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung berechnen sich die Längen der weiteren Isolierstoffgehäuseteile aus der Länge des entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteiles gemäß $L (x) \geq p (x) \cdot L_{N}$
mit $p (x) ≅ \frac{(2 x - 1)}{(2 N - 1)}$

und N = Gesamtzahl der Isolierstoffgehäuseteile der Vakuumschaltröhre und $x = N, N - 1 \dots \frac{N}{2} + 1.$
Eine derartige Einstellung der Länge der weiteren Isolierstoffgehäuse mittels Berechnung aus der Länge des entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteiles hat sich in einer Vielzahl von Experimenten und Versuchen als eine bestmögliche Einstellung der Länge der weiteren Isolierstoffgehäuseteile in Abhängigkeit von der Länge des entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteils erwiesen, mit der die Anforderungen an die dielektrische Festigkeit und die Kompaktheit der Vakuumschaltröhre bestmöglich erfüllt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen den Isolierstoffgehäuseteilen Dampfschirme und/oder Feldsteuerelemente befestigt. Mittels derartiger Dampfschirme und Feldsteuerelemente, welche zwischen den Isolierstoffgehäuseteilen befestigt sind und im Inneren der Vakuumschaltröhre angeordnet sind, ist in einfacher Weise eine Abschirmung der Isolierstoffgehäuseteile vor Bedampfung durch beim Schaltvorgang entstehenden Metalldämpfen gewährleistet.
In weiterer bevorzugter Ausführung der Erfindung ist zwischen den Isolierstoffgehäusebereichen ein metallisches Gehäuseteil vorgesehen. Ein derartiges metallisches Gehäuseteil ist ebenfalls vorteilhaft für eine Erhöhung der Überschlagsfestigkeit einer Vakuumschaltröhre.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre zeigt.
Die Figur zeigt eine Vakuumschaltröhre 1 mit einem Festkontakt 2 und einem Festkontaktanschlussbolzen 3 sowie einem Bewegkontakt 4 und einem Bewegkontaktanschlussbolzen 5. Der Festkontaktanschlussbolzen 3 ist dabei vakuumdicht durch ein erstes metallisches Deckelteil 6 der Vakuumschaltröhre herausgeführt, der Bewegkontaktanschlussbolzen 5 ist durch ein zweites metallisches Deckelteil 7 mittels eines Faltenbalges 8 beweglich vakuumdicht aus der Vakuumschaltröhre herausgeführt, so dass das Kontaktsystem aus Festkontakt 2 und Bewegkontakt 4 zum Schalten eines über die Festkontakt- und Bewegkontaktanschlussbolzen 3 und 5 geführten Stromes beispielsweise eines Leistungsschalters ausgebildet ist, in dem eine Antriebsbewegung einer figürlich nicht dargestellten Antriebseinheit in den Bewegkontaktanschlussbolzen 5 zum Schließen bzw. Öffnen des Kontaktsystems aus Festkontakt 2 und Bewegkontakt 4 eingeleitet werden kann. Die Vakuumschaltröhre 1 weist weiterhin Gehäusebauteile in Form von Isolierstoffgehäuseteilen 9, 10, 11 und 12, 13 und 14 auf, welche in Form von Keramikzylindern ausgebildet sind, wobei zwischen den Isolierstoffgehäuseteilen 11 und 14 im Ausführungsbeispiel ein metallisches Gehäuseteil 15 vorgesehen ist, welches im Bereich des Kontaktsystems aus Festkontakt 2 und Bewegkontakt 4 angeordnet ist. Das Gehäuse der Vakuumschaltröhre 1 ist bezüglich einer Mittenebene S im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut und angeordnet, wobei die Isolierstoffgehäuseteil 9, 10 und 11 einen ersten Isolierstoffgehäusebereich 16 und die Isolierstoffgehäuseteile 12, 13 und 14 einen zweiten Isolierstoffgehäusebereich 17 ausbilden, so dass mit anderen Worten die Isolierstoffgehäusebereiche 16 und 17 symmetrisch bezüglich der Mittenebene S angeordnet und ausgebildet sind. Symmetrisch im Sinne des Ausführungsbeispiels bedeutet dabei, dass die Isolierstoffgehäuseteile 9 und 12 die gleiche Länge L₁ aufweisen, die Isolierstoffgehäuseteile 10 und 13 die gleiche Länge L₂ aufweisen und die Isolierstoffgehäuseteile 11 und 14 die gleiche Länge L₃ aufweisen und die Isolierstoffgehäusebereiche 16 und 17 den gleichen Abstand von der Mittenebene S aufweisen. Zwischen zwei benachbarten Isolierstoffgehäuseteilen sowie an den Grenzbereichen zwischen Isolierstoffgehäuseteilen und den ersten und zweiten metallischen Deckelteilen 6 und 7 sind dabei im Inneren der Vakuumschaltröhre 1 vorgesehene Dampfschirme und/oder Feldsteuerelemente 18 bis 25 angeordnet und vakuumdicht befestigt. Die Dampfschirme und/oder Feldsteuerelemente 18 bis 25 dienen der Abschirmung der Isolierstoffgehäuseteile vor Bedampfung mit während eines Schaltvorganges durch Abbrand der Kontakte entstehenden Metalldämpfen.
Eine wie im Ausführungsbeispiel dargestellte Vakuumschaltröhre in einem Wechselstromsystem erfährt eine Potentialeinstellung in axialer Richtung, wobei die Potenzialverteilung von einem Röhrenende zum anderen Ende zunimmt, so dass die letzte Keramik am stärksten belastet ist. Je nach Polarität ist dies bei der Vakuumschaltröhre 1 das Isolierstoffgehäuseteil 9 bzw. 12, welche folglich die größte Länge L₁ aufweisen, da dies die von der Mittenebene entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteile jedes Isolierstoffgehäusebereiches sind. Die Länge L₁ bestimmt sich daher aus den Anforderungen an die dielektrische Festigkeit der Vakuumschaltröhre sowie die Bemessungsspannung sowie die äußeren Gegebenheiten wie beispielsweise kapazitive Ankopplungen an ein geerdetes Gehäuse eines umgebenden Leistungsschalters. Die Länge L₂ bzw. L₃ der Isolierstoffgehäuseteile 10 und 13 bzw. 11 und 14 bestimmt sich aus der Länge L₁ der Isolierstoffgehäuseteile 9 und 12 gemäß der Formel $L (x) \geq p (x) \cdot L_{N},$
wobei N die Anzahl der Keramiken ist, im Falle des Ausführungsbeispiels 6 und wobei p(x) ein Skalierungsfaktor ist, welcher sich bestimmt aus: $p (x) \cdot ≅ (2 x - 1) / (2 N - 1),$
wobei x die Werte $N, N - 1 \dots \frac{N}{2} + 1$
annehmen kann, so dass im Ausführungsbeispiel der Figur für N = 6 aus Symmetriegründen x die Werte 6, 5 und 4 annehmen und die Längen der Isolierstoffgehäuseteile 9 und 12 sowie 10 und 13 und 11 und 14 jeweils ebenfalls auf Grund der Symmetrie bezüglich der Mittenebene S gleich groß sind, wobei der Skalierungsfaktor
p(6) = 1 = p(1) ist und $p (5) = p (2) = \frac{9}{11}$
und $p (4) = p (3) = \frac{7}{11}$
ist. Anhand der oben aufgeführten Formel ergibt sich somit für die Länge L₂ = 0,81 * L₁ und für die Länge $L_{3} = 0, 64 * L_{1} .$

Bezugszeichenliste

1: Vakuumschaltröhre
2: Festkontakt
3: Festkontaktanschlussbolzen
4: Bewegkontakt
5: Bewegkontaktanschlussbolzen
6: erstes metallisches Deckelteil
7: zweites metallisches Deckelteil
8: Faltenbalg
9 bis 14: Isolierstoffgehäuseteile/Keramikzylinder
15: metallisches Gehäuseteil
16: erster Isolierstoffgehäusebereich
17: zweiter Isolierstoffgehäusebereich
18 bis 25: Dampfschirme bzw. Feldsteuerelemente

L₁: Länge der Isolierstoffgehäuseteile 9 und 12
L₂: Länge der Isolierstoffgehäuseteile 10 und 13
L₃: Länge der Isolierstoffgehäuseteile 11 und 14

S: Mittenebene/Symmetrieachse

Claims

Vakuumschaltröhre (1) mit einem Gehäuse, welches zwei bezüglich einer Mittenebene (S) symmetrisch angeordnete und ausgebildete Isolierstoffgehäusebereiche (16, 17) aufweist, wobei jeder der beiden Isolierstoffgehäusebereiche (16, 17) mehrere Isolierstoffgehäuseteile (9, 10, 11, 12, 13, 14) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass das von der Mittenebene (S) entferntest angeordnete Isolierstoffgehäuseteil (9, 12) jedes Isolierstoffgehäusebereiches (16, 17) eine Länge (L₁) aufweist, welche größer ist als die Länge (L₂, L₃) der weiteren Isolierstoffgehäuseteile (10, 11, 13, 14).
Vakuumschaltröhre (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Isolierstoffgehäuseteile (10, 11, 13, 14) mit abnehmender Entfernung von der Mittenebene (S) eine abnehmende Länge (L₂, L₃) aufweisen.
Vakuumschaltröhre (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Längen der weiteren Isolierstoffgehäuseteile (10, 11, 13, 14) aus der Länge des entferntest angeordneten Isolierstoffgehäuseteiles (9, 12) gemäß $L (x) \geq p (x) \cdot L_{N}$
mit $p (x) ≅ \frac{(2 x - 1)}{(2 N - 1)}$

und N = Gesamtzahl der Isolierstoffgehäuseteile der Vakuumschaltröhre
und $x = N, N - 1 \dots \frac{N}{2} + 1.$

berechnen.
Vakuumschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Isolierstoffgehäuseteilen (9, 10, 11, 12, 13, 14) Dampfschirme (18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25) und/oder Feldsteuerelemente (18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25) befestigt sind.
Vakuumschaltröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Isolierstoffgehäusebereichen (16, 17) ein metallisches Gehäuseteil (15) vorgesehen ist.