EP4341974A1 - Vakuumschaltröhre zum schalten von spannungen - Google Patents

Vakuumschaltröhre zum schalten von spannungen

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Publication number
EP4341974A1
EP4341974A1 EP22741715.1A EP22741715A EP4341974A1 EP 4341974 A1 EP4341974 A1 EP 4341974A1 EP 22741715 A EP22741715 A EP 22741715A EP 4341974 A1 EP4341974 A1 EP 4341974A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vacuum interrupter
control element
ceramic
vacuum
range
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22741715.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Katrin Benkert
Martin Koletzko
Paul Gregor Nikolic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4341974A1 publication Critical patent/EP4341974A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • 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
    • H01H2033/66284—Details relating to the electrical field properties of screens in vacuum switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/033—Details with several disconnections in a preferential order, e.g. following priority of the users, load repartition

Definitions

  • the invention relates to a vacuum interrupter for switching voltages, having at least one envelope and having at least one fixed contact and having at least one movable contact.
  • Vacuum interrupters or vacuum switches which comprise arrangements of vacuum interrupters, are circuit breakers in which switching contacts that can be moved relative to one another are arranged in at least one vacuum interrupter chamber.
  • vacuum interrupters are used for switching voltages in the high-voltage range, in particular greater than or equal to 52 kV, and/or for switching large currents in the range of up to a few tens of kiloamperes.
  • Vacuum switching tubes in particular comprised of switching arrangements, require little maintenance, have a long service life, and are driven easily and reliably, in particular via spring-loaded drives.
  • z. B Anord calculations with several vacuum interrupters used whose switching gaps are electrically connected in series such. B. is known from DE 102013 208 419 A1. Alternatively z. B. vacuum interrupters with multiple switching gaps in particular special used in a vacuum interrupter.
  • the aim is to distribute the voltage to the vacuum interrupters or vacuum interrupters in a manner adapted to the vacuum interrupters, i.e. dissipation in order to avoid overloading individual vacuum interrupters or areas of one to avoid vacuum interrupters.
  • a voltage distribution that is as even as possible on the vacuum interrupters or vacuum interrupters or contact gaps.
  • passive electrical components such as e.g. B. was a control resistor and / or control capacitor connected as controls in parallel with a vacuum interrupter.
  • these components increase the space required for a vacuum interrupter with a vacuum interrupter or for an arrangement with a plurality of vacuum interrupters.
  • a vacuum switch with cleaned and dehumidified compressed air d. H.
  • Clean air as the insulating gas surrounding the vacuum interrupter requires relatively large insulation distances between a vacuum interrupter and a passive electrical component and between a passive electrical component and a particularly metallic switch housing of the arrangement of one or more vacuum interrupters, since the compressed air has a relatively low dielectric strength compared to other insulating gases, e.g. B. sulfur hexafluoride having.
  • other insulating gases e.g. B. sulfur hexafluoride having.
  • z. B the arrangement of vacuum interrupters and interconnected passive components in different housings possible.
  • these arrangements are associated with a high space requirement and costs.
  • the passive electrical components such.
  • B. Control resistors and/or control capacitors which are commercially available, have dimensions which are well suited to being arranged in a separate housing which is spaced apart from an outer housing of the vacuum interrupters.
  • the materials of the passive electrical components are optimized accordingly, without the need for a compact, space-saving arrangement or small size of the compo elements.
  • B. control stands and/or control capacitors separate from the outer housing in which the vacuum interrupters are arranged, involves high material expenditure, costs and installation space.
  • the invention is based on the object of specifying a vacuum switching tube for switching voltages, which can be switched off and requires little space and is low in cost.
  • it is the task of specifying a vacuum interrupter for high voltages, in particular with control elements, which require little space at low cost.
  • a vacuum interrupter for switching voltages with the features of claim 1.
  • Advantageous refinements of the vacuum interrupter according to the invention for switching voltages are specified in the subclaims.
  • Subjects of the main claim can be combined with one another with features of the subclaims and features of the subclaims.
  • at least one control element is included, which is arranged on the at least one vacuum interrupter.
  • the at least one control element can be arranged with the vacuum interrupter in a common housing, and it is not necessary for the at least one control element to be arranged in a separate housing from the housing of the vacuum interrupter. This is associated with savings in installation space and costs.
  • the at least one control allows a defined, predetermined voltage distribution across the vacuum interrupter when the electrical contact is open, ie spaced contacts of the vacuum interrupter. In particular, there is an even voltage distribution across the vacuum interrupter possible, which means that damage from overvoltages can be avoided and a long-term stable, reliable function of the vacuum interrupter can be ensured.
  • the arrangement of the at least one control element on the at least one vacuum interrupter enables a compact, space-saving, cost-effective arrangement of the at least one control element and the at least one vacuum interrupter, in particular in a common housing which, for. B. is filled with Clean Air, with reduced risk of electrical flashovers.
  • a compact design enables material savings, in particular a small housing size, reduces costs and enables the use of alternative switching gases such as clean air in compact configurations, and makes simple, environmentally friendly use of the vacuum interrupters possible.
  • the at least one control element can be a capacitor and/or a resistor.
  • Capacitors and/or resistors are well suited to generate a voltage distribution over at least one vacuum interrupter, in particular evenly, or to enable good deflection over the at least one vacuum interrupter.
  • the at least one control element can include a base body, in particular a ceramic base body. Ceramic is compact, inexpensive, adjustable and dopable in different forms, for resistors with different, predetermined ohmic resistances and/or for capacitors with different, predetermined capacities.
  • the base body can consist of aluminum oxide Al 2 O 3 , barium titanate BaTiCh, titanium oxide T1O 2 and/or strontium titanate SrTiCh and/or aluminum oxide Al 2 O 3 , barium titanate BaTiCh, titanium oxide T1O 2 and/or strontium titanate SrTiCh. These materials have the positive properties described above.
  • the base body can consist of a material which has a relative permittivity s r in the range from 20 to 2000, in particular in the range from 85 to 170 and/or in the range from 180 to 350 and/or in the range of 1000. In particular Their capacitors, which are well suited for switching off vacuum interrupters, can be produced with the relative permittivities mentioned above.
  • the base body can be made of a ceramic-polymer composite material and/or comprise a ceramic-polymer composite material, in particular in a cast resin matrix. Ceramic-polymer composite materials, particularly in a cast resin matrix, are well suited for the manufacture of compact, inexpensive capacitors and/or resistors in various forms.
  • the base body can be made of a glass ceramic and/or can include a glass ceramic.
  • Glass-ceramics are well suited for the production of compact, inexpensive capacitors and/or resistors in various shapes. Ceramics in particular are easy to dope and can be produced with the desired electrical properties for capacitors and/or resistors.
  • the at least one control element can consist of several bodies and/or comprise several bodies, in particular arranged one behind the other in a row.
  • the vacuum interrupter can comprise an envelope, in particular with at least one main screen and with at least two ceramic segments, the at least one main screen being arranged between the at least two ceramic segments can.
  • the at least one control element can be arranged on the shell of the vacuum interrupter, in particular on at least one ceramic segment of the shell. The arrangement of the at least one control element on the shell of the vacuum interrupter, in particular on at least one ceramic segment of the shell, enables a space-saving design with the advantages described above, and increased electrical shock resistance due to the electrically insulating properties of ceramic segments .
  • the ceramic segments can consist of a particularly insulating glass ceramic and/or comprise a particularly insulating glass ceramic.
  • Glass-ceramic is easy and inexpensive to produce, with a wide variety of electrical properties such. B. as a good electrical Iso lator, in the desired, compact form, temperature resistant, especially at oven temperatures for soldering parts egg ner vacuum interrupter.
  • the controls can be coated with a material, in particular an insulating material and/or a semiconducting material, in particular with controls made out as a varistor.
  • a material in particular an insulating material and/or a semiconducting material, in particular with controls made out as a varistor.
  • shielding rings can be included, in particular ring-shaped and/or circular, which in particular can be arranged directly on the envelope of the vacuum interrupter and/or which can enclose the circumference of the vacuum interrupter and/or which are spaced apart in the longitudinal direction of the vacuum interrupter can be arranged from each other.
  • Such shielding rings enable good shielding of electrical fields from the vacuum interrupter to the outside and an equalization of the field distribution of electrical and/or magnetic fields around the vacuum interrupter.
  • the shield rings can be electrically and/or mechanically connected to shields or vapor shields in the vacuum interrupter.
  • the at least one control element can be arranged electrically and/or spatially between the at least one fixed contact and the at least one movable contact, in particular between the at least one fixed contact and a shield ring, and/or between at least one fixed contact and a main shield, and/or between a shield ring and a main shield, and/or between two shield rings, and/or between the at least one movable contact and a shield ring, and/or between at least one movable contact and a main shield.
  • the control elements can be electrically contacted via the contacts, shield rings and/or the main shield.
  • the arrangement of the control elements on the circumference of the vacuum interrupter, between the contacts, shielding rings and/or main screen, enables a space-saving, compact arrangement, simple electrical contacting, even field distribution with an even arrangement around the circumference of the vacuum interrupter, and in particular an even, discrete division of the capacitances and/or ohmic resistances between the contacts, shield rings and/or main shield.
  • This enables a discrete distribution of the capacitances and/or ohmic resistances along the longitudinal axis and/or along the circumference of the vacuum interrupter, and a targeted or defined deactivation or voltage distribution along the longitudinal axis and/or along the circumference of the vacuum interrupter .
  • the at least one control element can be metallized and/or comprise metal caps, in particular on end faces of the at least one control element, designed for electrical and/or mechanical contacting, in particular with shielding rings, in particular in a soldering process.
  • metal caps in particular on end faces of the at least one control element, designed for electrical and/or mechanical contacting, in particular with shielding rings, in particular in a soldering process.
  • the at least one control element can have a cylindrical shape, in particular with a circular or elliptical base.
  • the at least one control element can have a shell shape, in particular with concave and/or convex peripheral shapes, in particular inversely mapping the shape of the envelope of the vacuum interrupter. This means that simple and inexpensive controls can be used, which can be arranged in a compact and space-saving manner on the at least one vacuum interrupter, with the above-described parts.
  • the at least one control element and/or the control elements can have a total capacitance in the range from 10 to 4000 pF, in particular in the range from 500 to 4000 pF.
  • the vacuum interrupter can be designed to switch voltages in the high-voltage range, in particular in the range greater than or equal to 52 kV.
  • Figure 1 schematically shows a vacuum interrupter 1 according to the invention for switching voltages in an oblique view of the side, arranged with controls 8 directly on a shell 2 of the vacuum interrupter, and
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a control element 8 of the vacuum interrupter 1 according to the invention from FIG.
  • FIG. 3 shows a control element 8 from FIG. 2, which is coated with an insulator and/or semiconducting layer 11 on the periphery of the base body 9, and
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a control element 8 of the vacuum interrupter 1 according to the invention from FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic example of a vacuum interrupter 1 according to the invention for switching voltages, in particular high voltages in the range greater than/equal to 52 kV, in an oblique view from one side.
  • the vacuum interrupter 1 has an envelope 2, which includes, among other things, a central main screen 5 and a ceramic segment 6 that is flush on the right and left.
  • the main screen 5 and the ceramic segments 6 are formed hohlzylinderför mig or tubular, and at the ends of the vacuum interrupter 1 each sealed fluid-tight.
  • the vacuum interrupter 1 is evacuated or there is a vacuum. Contacts 3 and 4 protrude from the ends of the vacuum interrupter 1 into the shell 2 of the vacuum interrupter 1, e.g. B.
  • the main screen 5 is z. B. made of a metal, in particular copper and / or stainless steel, and includes z. B. inside steam screens, which are not shown in the figures for the sake of simplicity.
  • the hollow-cylindrical elements are Keramikseg z. B. made of sintered ceramic and surface treated in particular.
  • the contacts 3 and 4 are z. B. made of copper, in particular bolt-shaped, with in particular ge slit, plate-shaped ends inside the vacuum interrupter tube 1.
  • the fixed contact 3 is fluid-tightly connected to a lid-shaped closure on one end of the vacuum interrupter 1, the closure z. B. is made of a metal, in particular copper or steel.
  • the movable contact 4 is connected in a fluid-tight manner to a cover-shaped closure on the other end of the vacuum interrupter 1, e.g. B. movably mounted on a bellows, which is not shown in the figures for the sake of simplicity, the United circuit z. B. is made of a metal, in particular copper or steel.
  • the vacuum interrupter 1 has z. B.
  • 1 controls 8 are arranged on a shell 2 of the vacuum interrupter around the circumference of the vacuum interrupter.
  • Controls 8 are z. B. capacitors and / or resistors.
  • Capacitors are in particular ceramic capacitors Kon, z. B. with values of the capacitance of individual capacitors in the range of 10 to 4000 pF. This results in a total capacity of the arrangement in the range of z. 10 to 4000 pF.
  • Resistances are in particular ohmic resistances, e.g. B.
  • the controls 8 have z. B. a cylindrical, rectangular, elliptical and / or shell shape.
  • An arrangement of the controls 8 around the circumference of the shell 2 of the vacuum interrupter 1 is z. B. circularly along the cross-section of the circumference, the control elements being connected in particular parallel to one another, in particular with regular and/or equal distances from one another, and/or it follows along the longitudinal axis of the vacuum interrupter 1, electrically connected in rows.
  • the controls are 8 z. B. along the circumference of the envelope 2 of the vacuum interrupter 1 arranged electrically and spatially spaced on a circular cross-section of the circumference of the vacuum interrupter 1, along the longitudinal axis of the vacuum interrupter 1 between the fixed contact 3 and the movable contact 4, in particular between the fixed contact 3 and a shielding ring 7, between adjacent shielding rings 7, between a shielding ring 7 and the main shield 5, between the main shield 5 and a shielding ring 7, between adjacent shielding rings 7 , Between a shield ring 7 and the movable contact 4, in particular arranged symmetrically.
  • the screen rings 7 and the main screen 5 are used for the good electrically conductive contacting of the controls 8 with each other and between or with the contacts 3 and 4, z. B. on the lid-shaped closures at the ends of the vacuum interrupter 1, and in particular the special moving contact 4 on the bellows.
  • Shield rings 7 are z. B. made of a metal, in particular Kup fer, and can ceramic segments 6 subdivide in particular vapor shields, which protrude into the vacuum interrupter 1 inside.
  • control elements 8 on the vacuum interrupter 1 or the envelope 2 of the vacuum interrupter 1 includes a cohesive mechanical contact with the envelope 2 and/or a small distance in the range of millimeters, the direct contact with the envelope z. B. via the shield rings 7, the main screen 5 and / or the lid-shaped closures.
  • Controls 8 between different shield rings 7 are z. B. arranged along the longitudinal axis of the vacuum interrupter 1 on parallels of the longitudinal axis on particular straight or curved lines GE, or each offset from one another.
  • the arrangement of the controls 8 interrupters on the circumference of the vacuum results in z. B. regular or irregular patterns ter.
  • An arrangement of the control elements 8 on the circumference of the vacuum interrupter 1 or its casing 2 saves space and has a minimized cross section.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a control element 8 of the vacuum interrupter 1 according to the invention from FIG. 1 in detail.
  • the control 8 includes a basic body by 9, which z. B. consists of a ceramic material and / or comprises a ceramic material.
  • the base body 9 is z. B.
  • the material of the base body 9 has z. B. has a relative permittivity s r in the range from 20 to 2000, in particular in the range from 85 to 170 and/or in the range from 180 to 350 and/or in the range from 1000.
  • the base body 9 comprises a ceramic -Polymer composite material and/or consists of a ceramic polymer composite material, in particular special in a casting resin matrix, or is made of a glass ceramic and/or comprises glass ceramic.
  • the base body 9 is z. B. constructed cylindrical, with egg ner circular-cylindrical or elliptical base and deck surface. Or the base body 9 is constructed in the form of a shell, e.g. B. with a concave and / or convex lateral surface to the shape of the shell 2 of the vacuum tube 1 z. B. inverse form. As a result, a particularly compact, space-saving arrangement of the control elements 8 with the base body 9 on the shell 2 of the vacuum interrupter 1 is possible. Chen at the base and Deckflä or ends of the body 9 z. B. metal layers 10 are provided for electrical contacting and wiring of the control elements 8.
  • the metal layers 10 are z. B. ren coating methods such as vapor deposition, sputtering, pressing, and / or electrochemical coating on the base body 9 is applied.
  • the metal layers 10 consist of or include z. B. electrically highly conductive metals such. B. copper, steel, solder, and / or silver.
  • the attachment can, for. B. done in the oven by a soldering process, so that the controls 8 together via z. B. screen rings 7, the main screen 5 and / or metal caps or a bellows of the vacuum switching tube 1 at the ends of the movable and fixed contacts 3, 4 are electrically interconnected.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the control element 8 of FIG. 2, which is coated with an insulating and/or semiconducting layer 11 on the circumference of the base body 9 .
  • An insulator layer 11 made light possible an electrically insulating bridging of areas of the vacuum interrupter 1 by the control 8, which may not or should not be in electrical contact with the base body 9, z. B. shielding rings 7, which should not or may not contact the respective control element 9, for producing a specific circuit diagram or a predetermined circuit.
  • controls 9 can be arranged directly, in particular in a non-positive manner on the shell 2 of the vacuum interrupter 1, without generating unwanted interconnections and/or short circuits.
  • Insulator layers 11 are z. B. can be generated by insulating varnishes and / or by electrically insulating polymer coatings.
  • a semiconductive layer 11 or coating as Ummante treatment of the base body 9 of the controls 8 allows the formation of controls 8 z. B. with varistor function, for the realization of predetermined circuits for deactivating the vacuum interrupter 1 or vacuum interrupters 1.
  • Semicon tend layers 11 are z. B. can be generated or produced by doping, vapor deposition, sputtering, and / or electrochemical deposition.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a control element 8 of the vacuum interrupter 1 according to the invention in FIG. 1, with a base body 9 which has a screen cap 12 at each end for making electrical contact with the control element 8 .
  • the canopies 12 are z. B. provided alternatively or in addition to the metal layers 10 on the base and top surfaces or ends of a respective base body 9, in particular for electrically well conduct the contacting and interconnection of the controls 8.
  • the screen caps 12 are z. B. pressed, for a simple and inexpensive production of control elements 8.
  • the exemplary embodiments described above can be combined with one another and/or can be combined with the prior art.
  • the control elements 8 can have different shapes, in particular circular-cylindrical, cylindrical with an elliptical base and top surface, rectangular, square, and/or shapes with a convex and/or concave surface.
  • An attachment of the controls 8 he follows z. B. on the vacuum interrupter 1 by soldering, in particular on metal parts such. B. copper parts, by screws, by gluing, by clamping and / or by welding.
  • the controls 8 are z. B.
  • z. B. directly on the shell 2, in particular on ceramic segments 6, arranged at a small distance from the ceramic segments 6, in particular special between the shield rings 7, main shield 5 and / or contacts 3, 4, z. B. screwed, clamped, soldered, ge glued and / or welded. A small distance is z. B. in the range of a few millimeters up to a centimeter ter.
  • the controls 8 are z. B. on the shell 2 of the vacuum interrupter 1 or vacuum interrupters 1 as discrete compo le, in particular spaced apart. There is an arrangement z. B. annular, along a z. B. circular cross-section of the vacuum interrupter 1, with different rings along the longitudinal axis of the re 1. Adjacent controls 8 in different rings are z. B. arranged on straight lines, or offset zuei nander. Alternatively, an arrangement of the controls 8 z. B. take place on a helical line or spiral. Other arrangements and/or combinations of arrangements are also possible.
  • a control 8 consists of and / or includes z. B. a base body 9, in particular with metallization 10, 12 for electrical contact at the ends.
  • Controls Kings NEN also consist of several base bodies 9 and / or include several re base body 9, in particular one behind the other in a row to any predetermined values such.
  • Lengths of controls 8 are z. B. in the range of 10 to 100 millimeters and widths of controls 8 are z. B. in the range of 10 to 80 millimeters, especially for deflection of voltages in the range of 100 kV. From controllers, with the appropriate interconnection of control elements 8 e.g. B. also in the range of 145 kV, 245 kV and / or 420 kV.
  • Vacuum switching tubes 1 can be connected in series, in particular for switching high voltages in the range greater than or equal to 52 kV. Voltages can be uniform or different, predetermined, by the choice of the control elements 8 and their interconnection to the vacuum interrupter 1 or vacuum interrupters 1, and/or to elements of the vacuum interrupters 1, such as e.g. B. ceramic segments 6 of different lengths are divided up.
  • the direct arrangement of the controls 8 on the vacuum interrupter 1 and the vacuum interrupters 1 light enables a compact, space-saving structure, which allows a cost-effective, spatially minimized housing, and in particular the use of insulating gases such. B. Clean Air, with small or minimized and / or standard dimensions of housing.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre (1) zum Schalten von Spannungen, insbesondere im Hochspannungsbereich größer und/oder gleich 52 kV, mit wenigstens einer Hülle (2) und mit wenigstens einem festen Kontakt (3) sowie mit wenigstens einem beweglichen Kontakt (4), wobei wenigstens ein Steuerelement (8) umfasst ist, welches an der wenigstens einen Vakuumschaltröhre (1) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen
Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen, mit wenigstens einer Hülle und mit wenigstens einem festen Kontakt sowie mit wenigstens einem beweglichen Kontakt.
Vakuumschaltröhren bzw. Vakuumschalter, welche Anordnungen von Vakuumschaltröhren umfassen, sind Leistungsschalter, bei denen relativ zueinander bewegbare Schaltkontakte in wenigs tens einer Vakuumschaltkammer angeordnet sind. In der Hoch spannungstechnik werden derartige Vakuumschaltröhren zum Schalten von Spannungen im Hochspannungsbereich, insbesondere größer oder gleich 52 kV, und/oder zum Schalten großer Ströme im Bereich von bis zu einigen zehn Kiloampere verwendet. Va- kuumschaltröhren, insbesondere umfasst von Anordnungen zum Schalten, sind wartungsarm, langlebig, und werden insbesonde re über Federspeicheranriebe einfach und zuverlässig ange trieben. Für hohe Spannungsanforderungen werden z. B. Anord nungen mit mehreren Vakuumschaltröhren verwendet, deren Schaltstrecken elektrisch in Reihe geschaltet sind, wie z. B. aus der DE 102013 208 419 Al bekannt ist. Alternativ werden z. B. Vakuumschaltröhren mit mehreren Schaltstrecken insbe sondere in einer Vakuumschaltröhre verwendet.
Im Fall von mehreren Vakuumschaltröhren und/oder Vakuum schaltröhren mit mehreren Schaltstrecken wird, bei geöffneten Schaltstrecken der Vakuumschaltröhren, eine den Vakuumschalt röhren angepasste Spannungsaufteilung auf die Vakuumschalt röhre bzw. Vakuumschaltröhren angestrebt, d. h. Absteuerung, um eine Überlastung einzelner Vakuumschaltröhren bzw. von Be reichen einer Vakuumschaltröhre zu vermeiden. Beispielsweise wird bei mehreren gleichartig ausgebildeten, hintereinander geschalteten Vakuumschaltröhren bzw. Schaltstrecken, eine möglichst gleichmäßige Spannungsaufteilung auf die Vakuum- schaltröhre bzw. Vakuumschaltröhren respektive Schaltstrecken angestrebt.
Um eine angestrebte Spannungsaufteilung auf die Vakuumschalt röhren bzw. Schaltstrecken zu erreichen, werden beispielswei se passive elektrische Bauelemente wie z. B. ein Steuerwider stand und/oder Steuerkondensator als Steuerelemente parallel zu einer Vakuumschaltröhre geschaltet. Diese Bauelemente ver größern jedoch den für einen Vakuumschalter mit einer Vakuum schaltröhre bzw. für eine Anordnung mit mehreren Vakuum schaltröhren benötigten Bauraum. Insbesondere bei einem Vaku umschalter mit gereinigter und entfeuchteter Druckluft, d. h. Clean Air als die Vakuumschaltröhre umgebendes Isoliergas, sind relativ große Isolationsabstände zwischen einer Vakuum schaltröhre und einem passivem elektrischen Bauelement sowie zwischen einem passivem elektrischen Bauelement und einem insbesondere metallischen Schaltergehäuse der Anordnung von einer oder mehr Vakuumschaltröhren notwendig, da die Druck luft eine relativ geringe elektrische Durchschlagfestigkeit im Vergleich zu anderen Isoliergasen, wie z. B. Schwefelhexa fluorid, aufweist. Um eine ausreichende Isolation zwischen den Vakuumschaltröhren und Schaltungen mit passiven Bauele menten zu erreichen, ist z. B. die Anordnung der Vakuum schaltröhren und verschalteten passiven Bauelemente in unter schiedlichen Gehäusen möglich. Diese Anordnungen sind jedoch mit einem hohen Platzbedarf und Kosten verbunden.
Die passiven elektrischen Bauelemente wie z. B. Steuerwider stände und/oder Steuerkondensatoren, welche kommerziell er hältlich sind, weisen Abmessungen auf, welche gut geeignet sind in einem eigenen Gehäuse angeordnet zu sein, welches be- abstandet zu einem äußeren Gehäuse der Vakuumschaltröhren ist. Die Materialien der passiven elektrischen Bauelemente sind entsprechend optimiert, ohne Notwendigkeit für eine kom pakte, platzsparende Anordnung bzw. kleine Größe der Bauele mente. Wie zuvor beschrieben, sind mit einem extra Gehäuse der passiven elektrischen Bauelemente wie z. B. Steuerwider- stände und/oder Steuerkondensatoren, getrennt vom äußeren Ge häuse in welchem die Vakuumschaltröhren angeordnet sind, ho her Materialaufwand, Kosten und Bauraum verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumschalt röhre zum Schalten von Spannungen anzugeben, welche absteuer bar ist und einen geringen Platzbedarf und geringe Kosten aufweist. Insbesondere ist es Aufgabe, eine Vakuumschaltröhre für hohe Spannungen mit insbesondere Steuerelementen anzuge ben, welche einen geringen Platzbedarf bei geringen Kosten aufweisen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen sind in den Un teransprüchen angegeben. Dabei sind Gegenstände des Hauptan spruchs mit Merkmalen von Unteransprüchen und Merkmale der Unteransprüche untereinander kombinierbar.
Eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen umfasst wenigstens eine Hülle und wenigstens einen festen Kontakt sowie wenigstens einen beweglichen Kontakt. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Steuerelement umfasst, welches an der wenigstens einen Vakuumschaltröhre angeordnet ist. Insbesondere ist das wenigstens eine Steuerelement mit der Vakuumschaltröhre in einem gemeinsamen Gehäuse anorden bar, und es ist nicht notwendig, dass das wenigstens eine Steuerelement in einem getrennten Gehäuse vom Gehäuse der Va- kuumschaltröhre angeordnet wird. Damit ist eine Bauraum- und Kostenersparnis verbunden.
Das wenigstens eine Steuerelement ermöglicht eine definierte, vorbestimmte Spannungsverteilung über die Vakuumschaltröhre bei geöffnetem elektrischem Kontakt, d. h. beabstandeten Kon takten der Vakuumschaltröhre. Insbesondere eine gleichmäßige Spannungsverteilung über die Vakuumschaltröhre hinweg ist möglich, womit Beschädigungen durch Überspannungen vermieden werden können und eine langzeitstabile, zuverlässige Funktion der Vakuumschaltröhre sichergestellt werden kann. Die Anord nung des wenigstens einen Steuerelements an der wenigstens einen Vakuumschaltröhre ermöglicht eine kompakte, platzspa rende, kostengünstige Anordnung des wenigstens einen Steue relements und der wenigstens einen Vakuumschaltröhre, insbe sondere in einem gemeinsamen Gehäuse, welches z. B. mit Clean Air befüllt ist, mit verringerter Gefahr von elektrischen Überschlägen. Ein kompakter Aufbau ermöglicht eine Materia lersparnis, insbesondere eine geringe Gehäusegröße, verrin gert Kosten, und ermöglicht die Verwendung von alternativen Schaltgasen wie Clean Air in kompakten Anordnungen, und macht einen einfachen, umweltfreundlichen Einsatz der Vakuumschalt röhren möglich.
Das wenigstens eine Steuerelement kann ein Kondensator und/oder ein Widerstand sein. Kondensatoren und/oder Wider stände sind gut geeignet, eine Spannungsverteilung über we nigstens eine Vakuumschaltröhre insbesondere gleichmäßig zu erzeugen bzw. eine gute Absteuerung über die wenigstens eine Vakuumschaltröhre zu ermöglichen.
Das wenigstens eine Steuerelement kann einen Grundkörper um fassen, insbesondere einen keramischen Grundkörper. Keramik ist kompakt, kostengünstig, in unterschiedlichen Formen her stellbar und dotierbar, für Widerstände mit unterschiedli chen, vorbestimmten Ohm'sehen Widerständen und/oder für Kon densatoren mit unterschiedlichen, vorbestimmten Kapazitäten.
Der Grundkörper kann aus Aluminiumoxid AI2O3, Bariumtitanat BaTiCh, Titanoxid T1O2, und/oder Strontiumtitanat SrTiCh be stehen und/oder Aluminiumoxid AI2O3, Bariumtitanat BaTiCh, Ti tanoxid T1O2, und/oder Strontiumtitanat SrTiCh umfassen. Die se Materialien weisen die zuvor beschriebenen, positiven Ei genschaften auf. Der Grundkörper kann aus einem Material bestehen, welches ei ne relative Permittivität sr im Bereich von 20 bis 2000 auf weist, insbesondere im Bereich von 85 bis 170 und/oder im Be reich von 180 bis 350 und/oder im Bereich von 1000. Insbeson dere Kondensatoren, welche gut zum Absteuern von Vakuum schaltröhren geeignet sind, sind mit den zuvor genannten re lativen Permittivitäten herstellbar.
Der Grundkörper kann aus einem Keramik-Polymer-Komposit- Werkstoff sein und/oder einen Keramik-Polymer-Komposit- Werkstoff umfassen, insbesondere in einer Gießharzmatrix. Ke- ramik-Polymer-Komposit-Werkstof fe, insbesondere in einer Gießharzmatrix, sind gut geeignet zur Herstellung von kompak ten, kostengünstigen Kondensatoren und/oder Widerständen in unterschiedlichen Formen.
Der Grundkörper kann aus einer Glaskeramik sein und/oder eine Glaskeramik umfassen. Glaskeramiken sind gut geeignet zur Herstellung von kompakten, kostengünstigen Kondensatoren und/oder Widerständen in unterschiedlichen Formen. Insbeson dere Keramiken sind einfach zu dotieren, und mit gewünschten elektrischen Eigenschaften herstellbar für Kondensatoren und/oder Widerständen.
Das wenigstens eine Steuerelement kann aus mehreren Grundkör pern bestehen und/oder mehrere Grundkörper umfassen, insbe sondere hintereinander in Reihe angeordnet. Durch Zusammen setzung aus mehreren Grundkörpern sind Kondensatoren und/oder Widerstände mit beliebigen, vorbestimmten Werten an Kapazität bzw. Ohm'sehen Widerstand einfach, kostengünstig herstellbar, in großen Stückzahlen und z. B. zu unterschiedlichen Formen einfach zusammensetzbar.
Die Vakuumschaltröhre kann eine Hülle umfassen, insbesondere mit wenigstens einem Hauptschirm und mit wenigstens zwei Ke ramiksegmenten, wobei der wenigstens eine Hauptschirm zwi schen den wenigstens zwei Keramiksegmenten angeordnet sein kann. Das wenigstens eine Steuerelement kann an der Hülle der Vakuumschaltröhre angeordnet sein, insbesondere an wenigstens einem Keramiksegment der Hülle. Die Anordnung des wenigstens einen Steuerelements an der Hülle der Vakuumschaltröhre, ins besondere an wenigstens einem Keramiksegment der Hülle, er möglicht einen platz- bzw. raumsparenden Aufbau mit den zuvor beschriebenen Vorteilen, und eine erhöhte elektrische Über schlagsfestigkeit durch die elektrisch isolierenden Eigen schaften von Keramiksegmenten.
Die Keramiksegmente können aus einer insbesondere isolieren den Glaskeramik bestehen und/oder eine insbesondere isolie rende Glaskeramik umfassen. Glaskeramik ist einfach und kos tengünstig herstellbar, mit einer breiten Varietät an elektrischen Eigenschaften, z. B. als guter elektrischer Iso lator, in gewünschter, kompakter Form, temperaturbeständig insbesondere bei Ofentemperaturen zum Verlöten von Teilen ei ner Vakuumschaltröhre.
Die Steuerelemente können mit einem Material beschichtet sein, insbesondere einem isolierenden Material und/oder einem halbleitenden Material, insbesondere mit Steuerelementen aus geführt als Varistor. Bei einer Isolierung der Steuerelemente von leitenden Bereichen der Hülle der Vakuumschaltröhre sind Steuerelemente mit einem isolierenden Material beschichtet einsetzbar, zur Erzeugung von Varistor-Funktionen sind Steue relemente beschichtet mit Halbleitermaterialien kostengünstig und einfach nutzbar.
Mehrere Schirmringe können umfasst sein, insbesondere jeweils ringförmig und/oder kreisförmig ausgebildet, welche insbeson dere direkt an der Hülle der Vakuumschaltröhre angeordnet sein können, und/oder welche den Umfang der Vakuumschaltröhre umschließen können, und/oder welche in Längsrichtung der Va- kuumschaltröhre beabstandet voneinander angeordnet sein kön nen. Derartige Schirmringe ermöglichen eine gute Abschirmung elektrischer Felder der Vakuumschaltröhre nach außen hin und eine Vergleichmäßigung der Feldverteilung elektrischer und/oder magnetischer Felder um die Vakuumschaltröhre herum. Die Schirmringe können elektrisch und/oder mechanisch mit Ab schirmungen bzw. Dampfschirmen in der Vakuumschaltröhre ver bunden sein.
Das wenigstens eine Steuerelement kann zwischen dem wenigs tens einem festen Kontakt und dem wenigstens einem bewegli chen Kontakt elektrisch und/oder räumlich angeordnet sein, insbesondere zwischen dem wenigstens einem festen Kontakt und einem Schirmring, und/oder zwischen wenigstens einem festen Kontakt und einem Hauptschirm, und/oder zwischen einem Schirmring und einem Hauptschirm, und/oder zwischen zwei Schirmringen, und/oder zwischen dem wenigstens einem bewegli chen Kontakt und einem Schirmring, und/oder zwischen wenigs tens einem beweglichen Kontakt und einem Hauptschirm. Eine elektrische Kontaktierung der Steuerelemente kann über die Kontakte, Schirmringe und/oder dem Hauptschirm erfolgen. Die Anordnung der Steuerelemente am Umfang der Vakuumschaltröhre, zwischen den Kontakten, Schirmringen und/oder Hauptschirm, ermöglicht eine platzsparende, kompakte Anordnung, einfache elektrische Kontaktierung, gleichmäßige Feldverteilung bei gleichmäßiger Anordnung um den Umfang der Vakuumschaltröhre herum, und insbesondere gleichmäßige, diskrete Aufteilung der Kapazitäten und/oder Ohm'sehen Widerstände zwischen den Kon takten, Schirmringen und/oder Hauptschirm. Dies ermöglicht eine diskrete Aufteilung der Kapazitäten und/oder Ohm'sehen Widerstände entlang der Längsachse und/oder entlang des Um fangs der Vakuumschaltröhre, und eine gezielte bzw. definier te Absteuerung bzw. Spannungsaufteilung entlang der Längsach se und/oder entlang des Umfangs der Vakuumschaltröhre.
Das wenigstens eine Steuerelement kann metallisiert sein und/oder Metallkappen umfassen, insbesondere an Endflächen des wenigstens einen Steuerelements, ausgeführt für eine elektrische und/oder mechanische Kontaktierung, insbesondere mit Schirmringen, insbesondere in einem Lötprozess. Damit ist eine einfache und kostengünstige elektrische Kontaktierung und Verschaltung von Steuerelementen an der wenigstens einen Vakuumschaltröhre möglich, insbesondere zeit- und kostenspa rend in einem Herstellungsprozess, z. B. einem Lötprozess, der wenigstens einen Vakuumschaltröhre.
Das wenigstens eine Steuerelement kann eine Zylinderform auf weisen, insbesondere mit einer kreisrunden oder elliptischen Grundfläche. Alternativ kann das wenigstens eine Steuerele ment eine Schalenform aufweisen, insbesondere mit konkaven und/oder konvexen Umfangsformen, insbesondere die Form der Hülle der Vakuumschaltröhre invers abbildend. Damit sind ein fache und kostengünstige Steuerelemente verwendbar, welche kompakt und platzsparend an der wenigstens einen Vakuum schaltröhre anordenbar sind, mit den zuvor beschriebenen Vor teilen.
Das wenigstens eine Steuerelement und/oder die Steuerelemente können eine Gesamtkapazität im Bereich von 10 bis 4000 pF, insbesondere im Bereich 500 bis 4000 pF aufweisen.
Diese Werte ermöglichen eine gezielte bzw. definierte Absteu erung bzw. Spannungsaufteilung entlang der Längsachse und/oder entlang des Umfangs der Vakuumschaltröhre, mit einem Gesamtwert insbesondere für eine Absteuerung bei Hochspannun gen im Bereich größer oder gleich 52 kV. Die Vakuumschaltröh re kann ausgebildet sein, Spannungen im Hochspannungsbereich, insbesondere im Bereich größer oder gleich 52 kV zu schalten.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung sche matisch in den Figuren dargestellt und nachfolgend näher be schrieben.
Dabei zeigen die
Figur 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre 1 zum Schalten von Spannungen in Schrägansicht von der Seite, mit Steuerelementen 8 direkt an einer Hülle 2 der Vakuumschaltröhre angeordnet, und
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Steuerelements 8 der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre 1 der Figur 1, mit einem Grundkörper 9, welcher an den Enden je weils eine Metallschicht 10 zur elektrischen Kon taktierung des Steuerelements 8 aufweist, und
Figur 3 ein Steuerelement 8 der Figur 2, welches mit einer Isolator- und/oder halbleitenden Schicht 11 am Um fang des Grundkörpers 9 beschichtet ist, und
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Steuerele ments 8 der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre 1 der Figur 1, mit einem Grundkörper 9, welcher an den Enden jeweils eine Schirmkappe 12 zur elektri schen Kontaktierung des Steuerelements 8 aufweist.
In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vakuum schaltröhre 1 zum Schalten von Spannungen, insbesondere von Hochspannungen im Bereich größer/gleich 52 kV, in Schrägan sicht von einer Seite beispielhaft dargestellt. Die Vakuum schaltröhre 1 weist eine Hülle 2 auf, welche unter anderem einen mittigen Hauptschirm 5 und jeweils ein sich rechts und links bündig anschließendes Keramiksegment 6 umfasst. Der Hauptschirm 5 und die Keramiksegmente 6 sind hohlzylinderför mig bzw. rohrförmig ausgebildet, und an den Enden der Vakuum schaltröhre 1 jeweils fluiddicht verschlossen. Im Inneren ist die Vakuumschaltröhre 1 evakuiert bzw. herrscht ein Vakuum. Von den Enden der Vakuumschaltröhre 1 her ragen Kontakte 3 und 4 in die Hülle 2 der Vakuumschaltröhre 1 hinein, z. B. ein fester Kontakt 3 von einer Seite bzw. Grundfläche des Zy linders her und ein beweglicher Kontakt 4 von der anderen Seite bzw. Deckfläche des Zylinders, d. h. der Vakuumschalt röhre 1 her. Der Hauptschirm 5 ist z. B. aus einem Metall, insbesondere Kupfer und/oder Edelstahl, und umfasst z. B. im Inneren Dampfschirme, welche der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt sind. Die hohlzylinderförmigen Keramikseg mente sind z. B. aus gesinterter Keramik hergestellt und ins besondere oberflächenbehandelt. Die Kontakte 3 und 4 sind z. B. aus Kupfer insbesondere bolzenförmig, mit insbesondere ge schlitzten, tellerförmigen Enden im Inneren der Vakuumschalt röhre 1. Der feste Kontakt 3 ist fluiddicht mit einem deckel förmigen Verschluss auf einem Ende der Vakuumschaltröhre 1 verbunden, wobei der Verschluss z. B. aus einem Metall, ins besondere Kupfer oder Stahl hergestellt ist. Der bewegliche Kontakt 4 ist fluiddicht mit einem deckelförmigen Verschluss auf dem anderen Ende der Vakuumschaltröhre 1 verbunden, z. B. über einen Faltenbalg beweglich gelagert, was der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt ist, wobei der Ver schluss z. B. aus einem Metall, insbesondere Kupfer oder Stahl hergestellt ist.
Über die nach Außen geführten Bolzen des festen Kontakts 3 und des beweglichen Kontakts 4, ist die Vakuumschaltröhre elektrisch kontaktierbar. Der bewegliche Kontakt 4 ermöglicht ein elektrisches Schalten durch Bewegung zum festen Kontakt 3 hin, d. h. zum Schließen eines Spalts zwischen den tellerför migen Kontakte-Enden der Kontakte 3 und 4, beim Einschalten, und durch Bewegung vom festen Kontakt 3 weg, d. h. zum Erzeu gen eines Spalts zwischen den tellerförmigen Kontakte-Enden der Kontakte 3 und 4, beim Ausschalten. Der erzeugte Spalt zwischen den Kontakte-Enden der Kontakte 3 und 4 sowie die Kontakte-Enden selbst, sind im evakuierten Inneren der Vaku- umschaltröhre 1 angeordnet, womit ein Spalt im Bereich von Millimetern bis hin zu Zentimetern zum Ausschalten insbeson dere von Hochspannungen ausreicht. Die Vakuumschaltröhre 1 hat z. B. eine Länge im Bereich von insbesondere 30 bis 100 Zentimetern, und einen Umfang im Bereich von insbesondere 10 bis 100 Zentimetern. Erfindungsgemäß sind um den Umfang der Vakuumschaltröhre 1 Steuerelementen 8 an einer Hülle 2 der Vakuumschaltröhre an geordnet. Steuerelemente 8 sind z. B. Kondensatoren und/oder Widerstande. Kondensatoren sind insbesondere keramische Kon densatoren, z. B. mit Werten der Kapazität einzelner Konden satoren im Bereich von 10 bis 4000 pF. Damit ergibt sich eine Gesamtkapazität der Anordnung im Bereich von z. B. 10 bis 4000 pF. Widerstande sind insbesondere Ohm'sehe Widerstände, z. B. mit Werten einzelner Widerstände im Bereich von wenigen Ohm, oder einigen hundert Ohm, oder einigen tausend Ohm, oder bis hin zu einigen hunderttausend Ohm. Damit ergibt sich ein Gesamtwiderstand im Bereich von wenigen Ohm, oder einigen hundert Ohm, oder einigen tausend Ohm, oder bis hin zu eini gen hunderttausend Ohm.
Die Steuerelemente 8 weisen z. B. eine zylindrische, recht eckige, elliptische und/oder Schalenform auf. Eine Anordnung der Steuerelemente 8 um den Umfang der Hülle 2 der Vakuum schaltröhre 1 erfolgt z. B. kreisförmig entlang des Quer schnitts des Umfangs, wobei die Steuerelemente insbesondere parallel zueinander verschaltet sind, insbesondere mit regel mäßigen und/oder gleichen Abständen voneinander, und/oder er folgt entlang der Längsachse der Vakuumschaltröhre 1, in Rei he elektrisch verschaltet. Eine elektrische Kontaktierung von benachbarten, in Reihe hintereinander geschalteten Steuerele menten 8 erfolgt z. B. über Schirmringe 7, welche jeweils kreis- bzw. ringförmig entlang des Querschnitts des Umfangs der Vakuumschaltröhre 1 angeordnet sind, mit Schirmringen 7 beabstandet voneinander entlang der Längsachse der Vakuum schaltröhre 1.
Wie in der Figur 1 dargestellt ist, sind die Steuerelemente 8 z. B. entlang des Umfangs der Hülle 2 der Vakuumschaltröhre 1 elektrisch und räumlich angeordnet beabstandet auf einem kreisförmigen Querschnitt des Umfangs der Vakuumschaltröhre 1, entlang der Längsachse der Vakuumschaltröhre 1 zwischen dem festen Kontakt 3 und dem beweglichen Kontakt 4, insbeson dere zwischen dem festen Kontakt 3 und einem Schirmring 7, zwischen benachbarten Schirmringen 7, zwischen einem Schirm ring 7 und dem Hauptschirm 5, zwischen dem Hauptschirm 5 und einem Schirmring 7, zwischen benachbarten Schirmringen 7, zwischen einem Schirmring 7 und dem beweglichen Kontakt 4, insbesondere symmetrisch angeordnet. Dabei dienen die Schirm ringe 7 und der Hauptschirm 5 der gut elektrisch leitenden Kontaktierung der Steuerelemente 8 untereinander und zwischen bzw. mit den Kontakten 3 und 4, z. B. über die deckelförmigen Verschlüsse an den Enden der Vakuumschaltröhre 1, und insbe sondere beim beweglichen Kontakt 4 über den Faltenbalg.
Schirmringe 7 sind z. B. aus einem Metall, insbesondere Kup fer, und können Keramiksegmente 6 unterteilen über insbeson dere Dampfschirme, welche in die Vakuumschaltröhre 1 hinein ragen. Eine Verbindung der Elemente der Vakuumschaltröhre 1, wie z. B. von Keramiksegmenten 6, Hauptschirm 5, Schirmringen
7, deckelförmigen Verschlüssen, und/oder mit Steuerelementen
8, erfolgt z. B. durch Verlöten und/oder leitfähigem Kleben. Eine Anordnung der Steuerelemente 8 an der Vakuumschaltröhre 1 bzw. der Hülle 2 der Vakuumschaltröhre 1, umfasst einen Stoffschlüssigen mechanischen Kontakt mit der Hülle 2 und/oder einen geringen Abstand im Bereich von Millimetern, wobei der direkte Kontakt mit der Hülle z. B. über die Schirmringe 7, den Hauptschirm 5 und/oder den deckelförmigen Verschlüssen erfolgt.
Steuerelemente 8 zwischen unterschiedlichen Schirmringen 7 sind z. B. entlang der Längsachse der Vakuumschaltröhre 1 auf Parallelen der Längsachse auf insbesondere geraden oder ge krümmten Linien angeordnet, oder jeweils versetzt zueinander. Die Anordnung der Steuerelemente 8 auf dem Umfang der Vakuum schaltröhre ergibt z. B. regelmäßige oder unregelmäßige Mus ter. Eine Anordnung der Steuerelemente 8 auf dem Umfang der Vakuumschaltröhre 1 bzw. deren Hülle 2 ist platzsparend, mit minimiertem Querschnitt. In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Steuerelements 8 der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre 1 der Figur 1 im De tail dargestellt. Das Steuerelement 8 umfasst einen Grundkör per 9, welcher z. B. aus einem keramischen Material besteht und/oder ein keramisches Material umfasst. Der Grundkörper 9 ist z. B. aus Aluminiumoxid AI2O3, Bariumtitanat BaTiCh, Ti tanoxid T1O2, und/oder Strontiumtitanat SrTiCh und/oder um fasst Aluminiumoxid AI2O3, Bariumtitanat BaTiCh, Titanoxid T1O2, und/oder Strontiumtitanat SrTiCh. Das Material des Grundkörpers 9 weist z. B. eine relative Permittivität sr im Bereich von 20 bis 2000 auf, insbesondere im Bereich von 85 bis 170 und/oder im Bereich von 180 bis 350 und/oder im Be reich von 1000. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Grund körper 9 einen Keramik-Polymer-Komposit-Werkstoff und/oder besteht aus einem Keramik-Polymer-Komposit-Werkstoff, insbe sondere in einer Gießharzmatrix, oder ist aus einer Glaskera mik und/oder umfasst Glaskeramik.
Der Grundkörper 9 ist z. B. zylinderförmig aufgebaut, mit ei ner kreiszylinderförmigen oder elliptischen Grund- und Deck fläche. Oder der Grundkörper 9 ist schalenförmig aufgebaut, z. B. mit einer konkaven und/oder konvexen Mantelfläche, um die Form der Hülle 2 der Vakuumschalröhre 1 z. B. invers ab zubilden. Dadurch ist eine besonders kompakte, platzsparende Anordnung der Steuerelemente 8 mit Grundkörper 9 an der Hülle 2 der Vakuumschaltröhre 1 möglich. An den Grund- und Deckflä chen bzw. Enden des Grundkörpers 9 sind z. B. Metallschichten 10 vorgesehen, zur elektrischen Kontaktierung und Verschal tung der Steuerelemente 8.
Die Metallschichten 10 sind z. B. durch Beschichtungsverfah ren wie Aufdampfen, Sputtern, Aufpressen, und/oder elektro chemische Beschichtung auf den Grundkörper 9 aufgebracht. Die Metallschichten 10 bestehen aus oder umfassen z. B. elektrisch gut leitenden Metalle, wie z. B. Kupfer, Stahl, Lötzinn, und/oder Silber. Bei einer Herstellung der Vakuum- schaltröhre 2 in einem Ofen bei hohen Temperaturen, insbeson dere unterhalb von 1000 Grad Celsius, bei der z. B. Teile wie Keramiksegmente 6 und Schirmringe 7 miteinander verbunden werden, ist derart eine Befestigung der Steuerelemente 8 an der Vakuumschaltröhre 1 bzw. Hülle 2 der Vakuumschaltröhre 1 einfach und kostengünstig möglich, z. B. an Schirmringen 7, einem Hauptschirm 5 und/oder Metallkappen bzw. einem Falten balg der Vakuumschaltröhre 1 an den Enden der beweglichen und festen Kontakte 3, 4. Die Befestigung kann z. B. im Ofen durch einen Lötprozess erfolgen, womit die Steuerelemente 8 miteinander über z. B. Schirmringe 7, dem Hauptschirm 5 und/oder Metallkappen bzw. einem Faltenbalg der Vakuumschalt röhre 1 an den Enden der beweglichen und festen Kontakte 3, 4 miteinander elektrisch verschaltet werden.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Steue relements 8 der Figur 2 dargestellt, welches mit einer Isola tor- und/oder halbleitenden Schicht 11 am Umfang des Grund körpers 9 beschichtet ist. Eine Isolator-Schicht 11 ermög licht eine elektrisch isolierende Überbrückung von Bereichen der Vakuumschaltröhre 1 durch das Steuerelement 8, welche nicht in elektrischem Kontakt zum Grundkörper 9 sein dürfen bzw. sollen, z. B. Schirmringe 7, welche das jeweilige Steue relement 9 nicht kontaktieren sollen bzw. dürfen, zur Her stellung eines bestimmten Schaltbildes bzw. einer vorbestimm ten Schaltung. Dadurch sind Steuerelemente 9 direkt, insbe sondere kraftschlüssig an der Hülle 2 der Vakuumschaltröhre 1 anordenbar, ohne unerwünschte Verschaltungen und/oder Kurz schlüsse zu erzeugen. Eine kompakte, platz- und kostensparen de Anordnung der Steuerelemente 9 an der Vakuumschaltröhre 1 wird dadurch möglich, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Isolator-Schichten 11 sind z. B. durch Isolierlacke und/oder durch elektrisch isolierende Polymerbeschichtungen erzeugbar.
Eine halbleitende Schicht 11 bzw. Beschichtung als Ummante lung des Grundkörpers 9 der Steuerelemente 8 ermöglicht die Ausbildung von Steuerelementen 8 z. B. mit Varistorfunktion, zur Realisierung vorbestimmter Schaltungen zur Absteuerung der Vakuumschaltröhre 1 bzw. Vakuumschaltröhren 1. Halblei tende Schichten 11 sind z. B. durch Dotierung, Bedampfung, Sputtern, und/oder elektrochemisches Abscheiden erzeugbar bzw. herstellbar.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Steue relements 8 der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre 1 der Fi gur 1, mit einem Grundkörper 9, welcher an den Enden jeweils eine Schirmkappe 12 zur elektrischen Kontaktierung des Steue relements 8 aufweist, dargestellt. Die Schirmkappen 12 sind z. B. alternativ oder zusätzlich zu den Metallschichten 10 an den Grund- und Deckflächen bzw. Enden eines jeweiligen Grund körpers 9 vorgesehen, insbesondere zur elektrisch gut leiten den Kontaktierung und Verschaltung der Steuerelemente 8. Die Schirmkappen 12 sind z. B. aufgepresst, für eine einfache und kostengünstige Herstellung von Steuerelementen 8.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können unterei nander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So können z. B. mehr als zwei Va- kuumschaltröhren 1 miteinander verschaltet werden, insbeson dere in Reihe. Die Steuerelemente 8 können unterschiedliche Formen aufweisen, insbesondere Kreiszylinderförmige, Zylin derförmige mit elliptischer Grund- und Deckfläche, Rechtecki ge, Quadratische, und/oder Formen mit konvexer und/oder kon kaver Oberfläche. Eine Befestigung der Steuerelemente 8 er folgt z. B. an der Vakuumschaltröhre 1 durch Löten, insbeson dere an Metallteilen wie z. B. Kupferteilen, durch Schrauben, durch Kleben, durch Klemmen und/oder durch Schweißen. Die Steuerelemente 8 sind z. B. direkt kraftschlüssig an der Hül le 2, insbesondere an Keramiksegmenten 6, angeordnet, insbe sondere elektrisch isoliert vom Keramiksegment durch einen Isolierlack und/oder eine Oberflächenbeschichtung und/oder - behandlung. Und/oder Steuerelemente 8 sind z. B. direkt an der Hülle 2, insbesondere an Keramiksegmenten 6, angeordnet, mit einem geringen Abstand von den Keramiksegmenten 6, insbe- sondere zwischen den Schirmringen 7, Hauptschirm 5 und/oder Kontakten 3, 4, z. B. verschraubt, geklemmt, gelötete, ge klebt und/oder geschweißt. Ein geringer Abstand liegt z. B. im Bereich von wenigen Millimetern bis hin zu einem Zentime ter.
Die Steuerelemente 8 sind z. B. an der Hülle 2 der Vakuum schaltröhre 1 bzw. Vakuumschaltröhren 1 als diskrete Bautei le, insbesondere beabstandet voneinander angeordnet. Dabei erfolgt eine Anordnung z. B. ringförmig, entlang einem z. B. kreisförmigen Querschnitt der Vakuumschaltröhre 1, mit ver schiedenen Ringen entlang der Längsachse der Vakuumschaltröh re 1. Benachbarte Steuerelemente 8 in verschiedenen Ringen sind z. B. auf geraden Linien angeordnet, oder versetzt zuei nander. Alternativ kann eine Anordnung der Steuerelemente 8 z. B. auf einer Schraubenlinie bzw. Spirale erfolgen. Weiter Anordnungen und/oder Kombinationen von Anordnungen sind eben falls möglich.
Ein Steuerelement 8 besteht aus und/oder umfasst z. B. einen Grundkörper 9, insbesondere mit Metallisierung 10, 12 zur elektrischen Kontaktierung an den Enden. Steuerelemente kön nen auch aus mehreren Grundkörpern 9 bestehen und/oder mehre re Grundkörper 9 umfassen, insbesondere hintereinander in Reihe angeordnet, um beliebige, vorbestimmte Werte wie z. B. Kapazitäten und/oder Ohm'sehe Widerstände zu erzeugen, und/oder vorbestimmte Längen für zu erzeugende Schaltungen zu erreichen. Längen von Steuerelementen 8 sind z. B. im Bereich von 10 bis 100 Millimetern und Breiten von Steuerelementen 8 sind z. B. im Bereich von 10 bis 80 Millimetern, insbesondere für Absteuerungen von Spannungen im Bereich von 100 kV. Ab steuerungen können mit entsprechender Verschaltung von Steue relementen 8 z. B. auch im Bereich von 145 kV, 245 kV und/oder 420 kV erfolgen.
Mit der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vakuumschalt röhre 1 ist über die Steuerelemente 8 ein Absteuern von Span- nungen über die Vakuumschaltröhre 1 möglich. Vakuumschaltröh ren 1 können in Reihe hintereinander verschaltet sein, insbe sondere zum Schalten von Hochspannungen im Bereich von größer oder gleich 52 kV. Spannungen können gleichmäßig oder unter schiedlich, vorbestimmt, über die Wahl der Steuerelemente 8 und deren Verschaltung auf die Vakuumschaltröhre 1 oder Vaku- umschaltröhren 1, und/oder auf Elemente der Vakuumschaltröh ren 1, wie z. B. verschieden lange Keramiksegmente 6, aufge teilt werden. Die direkte Anordnung der Steuerelemente 8 an der Vakuumschaltröhre 1 bzw. den Vakuumschaltröhren 1 ermög licht einen kompakten, platzsparenden Aufbau, was ein kosten günstiges, räumlich minimiertes Gehäuse ermöglicht, und ins besondere den Einsatz von Isoliergasen, wie z. B. Clean Air, mit geringen bzw. minimierten und/oder Standard-Abmessungen von Gehäusen ermöglicht.
BezugsZeichen :
1 Vakuumschaltröhre
2 Hülle
3 Fester Kontakt
4 Beweglicher Kontakt
5 Hauptschirm
6 Keramiksegment
7 Schirmring
8 Steuerelement
9 Grundkörper
10 Metallschicht
11 Beschichtung
12 Schirmkappe d Durchmesser
1 Länge

Claims

Patentansprüche
1. Vakuumschaltröhre (1) zum Schalten von Spannungen, mit we nigstens einer Hülle (2) und mit wenigstens einem festen Kon takt (3) sowie mit wenigstens einem beweglichen Kontakt (4), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Steuerelement (8) umfasst ist, welches an der wenigstens einen Vakuumschaltröh re (1) angeordnet ist.
2. Vakuumschaltröhre (1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das wenigstens eine Steuerelement (8) ein Kon densator und/oder ein Widerstand ist.
3. Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuerelement (8) einen Grundkörper (9) umfasst, insbesondere einen keramischen Grundkörper.
4. Vakuumschaltröhre (1) nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass der Grundkörper (9) aus Aluminiumoxid AI2O3, Bariumtitanat BaTiCh, Titanoxid T1O2, und/oder Strontiumtita- nat SrTiCh besteht und/oder Aluminiumoxid AI2O3, Bariumtitanat BaTiCh, Titanoxid T1O2, und/oder Strontiumtitanat SrTiCh um fasst.
5. Vakuumschaltröhre (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (9) aus einem Material besteht, welches eine relative Permittivität sr im Bereich von 20 bis 2000 aufweist, insbesondere im Bereich von 85 bis 170 und/oder im Bereich von 180 bis 350 und/oder im Bereich von 1000.
6. Vakuumschaltröhre (1) nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass der Grundkörper (9) aus einem Keramik-Polymer- Komposit-Werkstoff ist und/oder einen Keramik-Polymer- Komposit-Werkstoff umfasst, insbesondere in einer Gießharz matrix.
7. Vakuumschaltröhre (1) nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass der Grundkörper (9) aus einer Glaskeramik ist und/oder eine Glaskeramik umfasst.
8. Vakuumschaltröhre (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuerele ment (8) aus mehreren Grundkörpern (9) besteht und/oder meh rere Grundkörper (9) umfasst, insbesondere hintereinander in Reihe angeordnet.
9. Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltröhre
(1) eine Hülle (2) umfasst, insbesondere mit wenigstens einem Hauptschirm (5) und mit wenigstens zwei Keramiksegmenten (6), wobei der wenigstens eine Hauptschirm (5) zwischen den we nigstens zwei Keramiksegmenten (6) angeordnet ist, und dass das wenigstens eine Steuerelement (8) an der Hülle (2) der Vakuumschaltröhre (1) angeordnet ist, insbesondere an wenigs tens einem Keramiksegment (6) der Hülle (2).
10. Vakuumschaltröhre (1) nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, dass die Keramiksegmente (6) aus einer Glaskeramik bestehen und/oder eine Glaskeramik umfassen.
11. Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelemente (8) mit einem Material beschichtet sind, insbesondere einem iso lierenden Material und/oder einem halbleitenden Material, insbesondere mit Steuerelementen (8) ausgeführt als Varistor.
12. Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schirmringe (7) umfasst sind, insbesondere jeweils ringförmig und/oder kreis förmig ausgebildet, welcher insbesondere direkt an der Hülle
(2) der Vakuumschaltröhre (1) angeordnet sind, und/oder wel cher den Umfang der Vakuumschaltröhre (1) umschließen, und/oder welche in Längsrichtung der Vakuumschaltröhre (1) beabstandet voneinander angeordnet sind.
13. Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuerelement (8) zwischen dem wenigstens einem festen Kon takt (3) und dem wenigstens einem beweglichen Kontakt (4) elektrisch und/oder räumlich angeordnet ist, insbesondere zwischen dem wenigstens einem festen Kontakt (3) und einem Schirmring (7), und/oder zwischen wenigstens einem festen Kontakt (3) und einem Hauptschirm (5), und/oder zwischen ei nem Schirmring (7) und einem Hauptschirm (5), und/oder zwi schen zwei Schirmringen (7), und/oder zwischen dem wenigstens einem beweglichen Kontakt (4) und einem Schirmring (7), und/oder zwischen wenigstens einem beweglichen Kontakt (4) und einem Hauptschirm (5).
14. Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuerelement (8) metallisiert ist und/oder Metallkappen um fasst, insbesondere an Endflächen des wenigstens einen Steue relements (8), ausgeführt für eine elektrische und/oder me chanische Kontaktierung, insbesondere mit Schirmringen (7), insbesondere in einem Lötprozess.
15. Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuerelement (8) eine Zylinderform aufweist, insbesondere mit einer kreisrunden oder elliptischen Grundfläche, oder dass das wenigstens eine Steuerelement (8) eine Schalenform aufweist, insbesondere mit konkaven und/oder konvexen Um fangsformen, insbesondere die Form der Hülle (2) der Vakuum schaltröhre (1) invers abbildend.
16. Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Steuerelement (8) und/oder die Steuerelemente (8) eine Ge- samtkapazität im Bereich von 10 bis 4000 pF, insbesondere im Bereich 500 bis 4000 pF aufweisen.
17. Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltröhre (1) ausgebildet ist, Spannungen im Hochspannungsbereich, ins besondere im Bereich größer oder gleich 52 kV zu schalten.
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