EP4445401B1

EP4445401B1 - Steuerbare vakuumschaltröhre und anordnung sowie verfahren zum absteuern von vakuumschaltröhren

Info

Publication number: EP4445401B1
Application number: EP23700201.9A
Authority: EP
Inventors: Katrin Benkert; Martin Koletzko; Paul Gregor Nikolic
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-02-04
Filing date: 2023-01-10
Publication date: 2026-06-17
Anticipated expiration: 2043-01-10
Also published as: WO2023147967A1; JP2025503916A; EP4445401A1; JP7823204B2; DE102022201174A1; EP4445401C0; CN118648079A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen, mit wenigstens einer Hülle und mit wenigstens zwei Kontaktstücken, wobei die wenigstens eine Hülle wenigstens ein Isolatorsegment umfasst. Weiterhin umfasst die Erfindung eine Anordnung mit wenigstens zwei der zuvor beschriebenen Vakuumschaltröhren und ein Verfahren zum Absteuern von Vakuumschaltröhren.
Vakuumschaltröhren bzw. Vakuumschalter, welche Anordnungen von Vakuumschaltröhren umfassen, sind z. B. Leistungsschalter, bei denen relativ zueinander bewegbare Schaltkontakte in wenigstens einer Vakuumschaltkammer angeordnet sind. In der Hochspannungstechnik 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. Vakuumschaltröhren, wie z. B. aus der WO 2020/025407 A1 , der US 2009/134125 A1 , der DE 10 2010 043984 A1 , der JP S54 163773 U , der DE 10 2017 222941 A1 und der DE 10 2013 208419 A1 bekannt, insbesondere umfasst von Anordnungen zum Schalten, sind wartungsarm, langlebig, und werden insbesondere über Federspeicheranriebe einfach und zuverlässig angetrieben. Für hohe Spannungsanforderungen werden z. B. Anordnungen mit mehreren Vakuumschaltröhren verwendet, deren Schaltstrecken elektrisch in Reihe geschaltet sind, wie z. B. aus der DE 10 2013 208 419 A1 bekannt ist. Alternativ werden z. B. Vakuumschaltröhren mit mehreren Schaltstrecken insbesondere in einer Vakuumschaltröhre verwendet.
Im Fall von mehreren Vakuumschaltröhren wird, bei geöffneten Schaltstrecken der Vakuumschaltröhren, eine den Vakuumschaltröhren angepasste Spannungsaufteilung auf die Vakuumschaltröhren angestrebt, d. h. Absteuerung, um eine Überlastung einzelner Vakuumschaltröhren zu vermeiden. Im Fall von Vakuumschaltröhren mit mehreren Schaltstrecken in insbesondere einer Vakuumschaltröhre wird, bei geöffneten Schaltstrecken der Vakuumschaltröhre, eine den Schaltstrecken angepasste Spannungsaufteilung bzw. Absteuerung angestrebt, um eine Überlastung zu vermeiden. Beispielsweise wird bei mehreren gleichartig ausgebildeten, hintereinander geschalteten Vakuumschaltröhren bzw. Schaltstrecken, eine möglichst gleichmäßige Spannungsaufteilung auf die Vakuumschaltröhren respektive Schaltstrecken angestrebt.
Um eine angestrebte Spannungsaufteilung auf die Vakuumschaltröhren bzw. Schaltstrecken zu erreichen, werden beispielsweise passive elektrische Bauelemente wie z. B. ein Steuerwiderstand beabstandet parallel zu einer Vakuumschaltröhre geschaltet. Diese Bauelemente vergrößern jedoch den für einen Vakuumschalter mit einer Vakuumschaltröhre bzw. für eine Anordnung mit mehreren Vakuumschaltröhren benötigten Bauraum. Insbesondere bei einem Vakuumschalter mit gereinigter und entfeuchteter Druckluft, d. h. Clean Air als die Vakuumschaltröhre umgebendes Isoliergas, sind relativ große Isolationsabstände zwischen einer Vakuumschaltröhre 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 Druckluft eine relativ geringe elektrische Durchschlagfestigkeit im Vergleich zu anderen Isoliergasen, wie z. B. Schwefelhexafluorid, aufweist. Um eine ausreichende Isolation zwischen den Vakuumschaltröhren und Schaltungen mit passiven Bauelementen zu erreichen, ist z. B. die Anordnung der Vakuumschaltröhren und verschalteten passiven Bauelemente in unterschiedlichen Gehäusen möglich. Diese Anordnungen sind jedoch mit einem hohen Platzbedarf und hohen Kosten verbunden. Eine spezifische Spannungsaufteilung über einzelne Elemente einer Vakuumschaltröhre hinweg ist mit einem derartigen Aufbau nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungssteuerung an einer Vakuumschaltröhre und/oder einer Anordnung mit mehreren Vakuumschaltröhren, mit geringem Platzbedarf und/oder geringen Kosten zu ermöglichen, und/oder ein Verfahren zum Absteuern von Vakuumschaltröhren mit geringem Platzbedarf und/oder Kosten anzugeben, insbesondere mit einer spezifischen, vorbestimmten Spannungsaufteilung über einzelne Elemente einer oder mehrerer Vakuumschaltröhren hinweg.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Anordnung mit zuvor beschriebenen Vakuumschaltröhren gemäß Anspruch 10, und/oder einem Verfahren zum Absteuern von Vakuumschaltröhren, insbesondere von zuvor beschriebenen Vakuumschaltröhren, gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen und/oder der erfindungsgemäßen Anordnung mit zuvor beschriebenen Vakuumschaltröhren, sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei sind Gegenstände des Hauptanspruchs mit Merkmalen von Unteransprüchen und Merkmale der Unteransprüche untereinander kombinierbar.
Eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen umfasst wenigstens eine Hülle und wenigstens zwei Kontaktstücke, wobei die wenigstens eine Hülle wenigstens ein Isolatorsegment umfasst. Das wenigstens eine Isolatorsegment ist als Steuerelement ausgebildet, wobei die wenigstens eine Hülle zwei oder mehr Isolatorsegmente umfasst, welche aus Materialien ausgebildet sind und/oder Materialien umfassen, welche eine Dielektrizitätskonstante ε_r im Bereich von 15 bis 10000 aufweisen.
Steuerelemente ermöglichen eine definierte, vorbestimmte Spannungsverteilung über die Vakuumschaltröhre hinweg bei geöffnetem elektrischem Kontakt, d. h. beabstandeten Kontakten 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 Verwendung wenigstens eines Isolatorsegmentes der Vakuumschaltröhre als Steuerelement ermöglicht eine kompakte, platzsparende, kostengünstige Vakuumschaltröhre, insbesondere in einem räumlich optimierten Gehäuse, welches z. B. mit Clean Air befüllt ist, mit verringerter Gefahr von elektrischen Überschlägen. Der kompakte Aufbau der Vakuumschaltröhre durch Isolatorsegmente, welche Steuerelemente sind, ermöglicht eine Materialersparnis, insbesondere eine geringe Gehäusegröße sowie die Einsparung von zusätzlichen Steuerelementen, verringert Kosten, und ermöglicht die Verwendung von alternativen Schaltgasen wie Clean Air in kompakten Anordnungen, und macht einen einfachen, umweltfreundlichen Einsatz der Vakuumschaltröhren möglich. Eine gute Absteuerung einer kompakten Vakuumschaltröhre ermöglicht ein sicheres Schalten bei hohen Spannungsebenen, insbesondere im Bereich von einigen Tausend Volt, ohne elektrische Überschläge insbesondere in kompakten äußeren Gehäusen.
Die wenigstens eine Hülle kann zwei oder mehr Isolatorsegmente umfassen, insbesondere verbunden jeweils über wenigstens einen Metallschirm. Eine gute Absteuerung ist insbesondere über die gesamte Länge der Vakuumschaltröhre mit mehr als einem Isolatorsegment als Steuerelement möglich, einfach, zuverlässig und kostengünstig.
Die Isolatorsegmente sindaus Materialien ausgebildet und/oder umfassen Materialien, welche eine Dielektrizitätskonstante ε_r im Bereich von 15 bis 2000, aufweisen, und welche unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten ε_r aufweisen. Diese, unterschiedlichen Werte ermöglichen eine gezielte bzw. definierte Absteuerung bzw. Spannungsaufteilung entlang der Längsachse und/oder entlang des Umfangs der Vakuumschaltröhre, mit einem Gesamtwert insbesondere für eine Absteuerung bei Hochspannungen im Bereich größer oder gleich 52 kV. Die Vakuumschaltröhre kann ausgebildet sein, Spannungen im Hochspannungsbereich, insbesondere im Bereich größer oder gleich 52 kV zu schalten. Dazu können die Isolatorsegmente eine Gesamtkapazität im Bereich von 10 bis 4000 pF, insbesondere im Bereich 500 bis 4000 pF aufweisen.
Das wenigstens eine Isolatorsegment kann aus Glas, Keramik, und/oder Glaskeramik bestehen und/oder Glas, Keramik, und/oder Glaskeramik umfassen. Diese Materialien sind gut geeignet als Steuerelemente, z. B. als Kondensatoren und/oder Widerstände, mit isolierenden Eigenschaften, um elektrische Überschläge über die Vakuumschaltröhre zu verhindern. Insbesondere über Dotierungen können gezielt in die Isolator-Materialien Fremdstoffe definierter Konzentration eingebracht werden, um benötigte elektrische Eigenschaften zu erzeugen, insbesondere zum gezielten Absteuern.
Das wenigstens eine Isolatorsegment kann ausgebildet sein, die Hülle vakuumdicht nach außen hin abzuschließen. Damit ermöglichen die Isolatorsegmente eine zuverlässige, langzeitstabile Funktion der Vakuumschaltröhre, mit einem stabilen Vakuum in der Schaltkammer bzw. Hülle. Es sind keine zusätzlichen Steuerelemente, z. B. keine zusätzlichen externen Widerstände und/oder Kondensatoren, zum Absteuern nötig, was Aufwand, Kosten, Bauraum und Material spart. Eine kompakte Bauweise der absteuerbaren Vakuumschaltröhre ist möglich, welche insbesondere in kompakte äußere Gehäuse passt, mit wenig Bedarf an Schutzgas bzw. Isoliergas, wie z. B. Clean Air und/oder SF₆. Die Doppelfunktion der Isolatorsegmente als Elemente der Hülle der Vakuumschaltröhre und als Absteuerelemente, macht an der Hülle angebrachte Steuerelemente und/oder Steuerelemente in externen äußeren Gehäusen für eine Absteuerung insbesondere bei Hochspannung überflüssig, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
Das wenigstens eine Isolatorsegment kann hohlzylinderförmig ausgebildet sein, insbesondere mit einem kreiszylinderförmigen Querschnitt. Damit kann das Isolatorsegment bei hohlzylinderförmigen Vakuumschaltröhren einen Teil der äußeren Hülle bilden und/oder platzsparend insbesondere formschlüssig Isolatorsegmente umschließen, z. B. nach Art eines mehrlagigen Verbundelements. Zylinderförmige Elemente weisen eine hohe mechanische Stabilität bei minimalen oder optimierten Wandstärken auf.
Die wenigstens eine Hülle kann Isolatorsegmente unterschiedlicher Länge entlang der Längsachse der Vakuumschaltröhre umfassen und/oder Isolatorsegmente unterschiedlicher Breite, insbesondere im Querschnitt und/oder einer Wandstärke, umfassen. Damit sind Isolatorsegmente als Steuerelemente, insbesondere aus einem Material, mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften verwendbar, z. B. mit unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerten und/oder elektrischen Kapazitätswerten. Vakuumschaltröhren sind somit in vorgegebenen, definierten Formen herstellbar, mit für die Absteuerung definiert, notwendigen elektrischen Eigenschalten der Hülle, insbesondere abhängig der zu schaltenden maximalen Spannungen und/oder Ströme. Eine Länge von Isolatorsegmenten ist z. B. im Bereich von 10 bis 100 Millimetern, eine zweite Länge ist z. B. im Bereich von 20 bis 200 Millimetern, und/oder eine dritte Länge ist z. B. im Bereich von 30 bis 300 Millimetern. Der Durchmesser der Isolatorsegmente liegt z. B. im Bereich von 10 bis 40 Zentimetern und die Wandstärke der Isolatorsegmente liegt z. B. im Bereich von 10 bis 80 Millimetern. Damit sind unterschiedliche Schaltungen der Steuerelemente mit verschiedenen Werten wie z. B. Kapazität und/oder Ohm'schen Widerstand möglich, welche vordefinierte, gewünschte Spannungsverteilungen über Bereiche der Vakuumschaltröhre hinweg ermöglichen.
Das wenigstens eine Isolatorsegment kann jeweils eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, welche in einem Bereich der resistiven Spannungssteuerung ist, insbesondere im Bereich von Kilo Ohm und/oder Mega Ohm, und/oder das wenigstens eine Isolatorsegment kann jeweils eine elektrische Kapazität aufweisen, welche in einem Bereich der kapazitiven Spannungssteuerung ist, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 10000 pF. Isolatorsegmente mit entsprechenden Werten sind gut geeignet, eine Absteuerung von Vakuumschaltröhren, insbesondere für Schaltspannungen im Bereich von einigen Tausend Volt, z. B. größer gleich 52 kV, zu ermöglichen, mit isolierenden Eigenschaften, d. h. ohne elektrische Überschläge über die Länge der Vakuumschaltröhre hinweg.
Die wenigstens zwei Kontaktstücke können wenigstens ein räumlich festes Kontaktstück und ein räumlich bewegbares Kontaktstück umfassen, wobei das bewegbare Kontaktstück insbesondere über wenigstens einen Faltenbalg vakuumdicht in die wenigstens eine Hülle geführt ist, und/oder wenigstens zwei Deckelteile die Vakuumschaltröhre an den Enden abschließen, und/oder die Isolatorsegmente mit den Deckelteilen die Vakuumschaltröhre mit dem wenigstens einen Faltenbalg vakuumdicht nach außen hin abschließen, wobei die Isolatorsegmente insbesondere über Metallschirme untereinander verbunden sind. Die Metallschirme können im Inneren der Vakuumschaltröhre als Dampfschirme wirken bzw. als Dampfschirme ausgebildet sein.
Eine definierte Verschaltung der Keramiksegmente als Steuerelemente kann über die Metallschirme und deren elektrische Kontaktierung insbesondere untereinander erfolgen. Damit ist kostengünstig und einfach eine Absteuerung bzw. Spannungsverteilung über die Länge der Vakuumschaltröhre möglich, im Zustand mit geöffnetem elektrischem Kontakt bzw. Kontaktstücken, welche voneinander beabstandet sind, mit insbesondere unterschiedlichen, definierten Werten der Steuerelemente und über die Metallschirme beliebig, d. h. definiert verschaltbar. Überspannungen an einzelnen Isolatorsegmenten können verhindert werden, womit die Lebensdauer der Vakuumschaltröhre erhöht wird und eine langzeitstabile Funktion ermöglicht wird, insbesondere ohne Störungen bis hin zu Zerstörungen durch Überspannungen an Keramiksegmenten. Eine vakuumdichte Hülle ermöglich eine langzeitstabile, zuverlässige Funktion der Vakuumschaltröhre.
Die Vakuumschaltröhre kann ausgebildet sein, Spannungen im Hochspannungsbereich, insbesondere im Bereich größer oder gleich 52 kV zu schalten. Durch die Absteuerung über die Isolatorsegmente ist ein Schalten hoher Spannungen mit Vakuumschaltröhren möglich, ohne elektrische Überschläge insbesondere über die äußere Hülle der Vakuumschaltröhre hinweg, und ohne Störungen bis hin zu einer irreversiblen Zerstörung der Vakuumschaltröhre.
Eine erfindungsgemäße Anordnung mit zuvor beschriebenen Vakuumschaltröhren umfasst wenigstens zwei, insbesondere mehr als zwei Vakuumschaltröhren, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind, insbesondere mit Isolatorsegmenten in Reihe geschaltet, elektrisch verbunden über wenigstens einen Metallschirm, und/oder über mehrere Metallschirme, und/oder dass die Vakuumschaltröhren elektrisch in Reihe geschaltet sind über Kontaktstücke der Vakuumschaltröhren. Das Schalten hoher Spannungsebenen, insbesondere von Hochspannungen im Bereich größer oder gleich 52 kV, kann derart mit kostengünstigen, einfach aufgebauten Vakuumschaltröhren erfolgen. Eine Absteuerung wie zuvor beschrieben, mit Isolatorsegmenten als Steuerelementen insbesondere angeordnet entlang der Längsachse der Vakuumschaltröhren, ermöglicht eine Spannungsaufteilung auf die Vakuumschaltröhren und gezielte Absteuerung der einzelnen Vakuumschaltröhren, welche in Reihe hintereinandergeschaltet sind. Damit sind die zuvor beschriebenen Vorteile, insbesondere bei kostengünstigem, einfachem, platzsparendem, kompaktem Aufbau bzw. Anordnung, erreichbar.
Ein Metalltank- und/oder ein Isolator-Gehäuse kann von der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst sein, in welchem die Vakuumschaltröhren angeordnet sind, insbesondere befüllt mit Clean Air als Isoliergas.
Die Verwendung der Isolatorsegmente der Vakuumschaltröhre bzw. Vakuumschaltröhren als Steuerelemente, womit sich eine kompakte Anordnung ergibt, ermöglicht ein kompaktes Metalltank- und/oder Isolator-Gehäuse, mit geringem Material- und Kostenaufwand, verringert die Gefahr von elektrischen Überschlägen, reduziert das Schaltgasvolumen und/oder ermöglicht die Verwendung von klimafreundlichen bzw. klimaneutralen Isoliergasen wie z. B. Clean Air in kompakten, z. B. kostengünstig erhältlichen Standard-Gehäusen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Absteuern von Vakuumschaltröhren, insbesondere von zuvor beschriebenen Vakuumschaltröhren und/oder von Anordnungen mit zuvor beschriebenen Vakuumschaltröhren umfasst, dass ein elektrisches Absteuern mittels Isolatorsegmenten als Steuerelementen erfolgt, insbesondere als Kondensatoren und/oder Widerständen, welche Teil der Hüllen der Vakuumschaltröhren sind und/oder um die jeweilige Hülle, insbesondere als Ring die Hülle umschließend, angeordnet sind, insbesondere in einem Gehäuse mit den Vakuumschaltröhren, und/oder mit Isolatorsegmenten unterschiedlicher Vakuumschaltröhren, welche in Reihe geschaltet sind.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Absteuern von Vakuumschaltröhren, insbesondere von zuvor beschriebenen Vakuumschaltröhren und/oder von zuvor beschriebenen Anordnungen mit Vakuumschaltröhren, gemäß Anspruch 13, und die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung mit zuvor beschriebenen Vakuumschaltröhren gemäß Anspruch 11, sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre zum Schalten von Spannungen gemäß Anspruch 1 und umgekehrt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in den Figuren dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigen die

Figur 1: schematisch eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre 1 zum Schalten von Spannungen in Schrägansicht von der Seite, mit Isolatorsegmenten 6 der Hülle 2 als Steuerelementen, und
Figur 2: eine erfindungsgemäße Anordnung 10 von zwei in Reihe geschalteten Vakuumschaltröhren 1 der Figur 1, welche von einem Gehäuse 11 umfasst sind, das z. B. mit Clean Air als Isoliergas 12 befüllt ist.

In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre 1 zum Schalten von Spannungen, insbesondere von Hochspannungen im Bereich größer/gleich 52 kV, in Schrägansicht von einer Seite beispielhaft dargestellt. Die Vakuumschaltröhre 1 weist eine Hülle 2 auf, welche unter anderem einen mittigen Hauptschirm 5 und jeweils rechts und links vom Hauptschirm 5 gesehen Isolatorsegmente 6 umfasst. Der Hauptschirm 5 und die Isolatorsegmente 6 sind hohlzylinderförmig bzw. rohrförmig ausgebildet. Benachbarte Isolatorsegmente 6, im Beispiel der Figur 1 jeweils drei auf jeder Seite des Hauptschirms 5, sind jeweils durch Metallschirme 5 miteinander verbunden. Die Metallschirme 5 sind z. B. im Inneren der Hülle 2 als Dampfschirme ausgebildet und/oder nur als Ringe, welche zylinderförmige Isolatorsegmente 6 miteinander verbinden und eine elektrische Verschaltung ermöglichen.
An den Enden der Vakuumschaltröhre 1 sind die hohlzylinderförmigen Isolatorsegmente 6 über Deckelteile 8 und 9 fluiddicht verschlossen. Im Inneren ist die Vakuumschaltröhre 1 evakuiert bzw. herrscht ein Vakuum. Von den Enden der Vakuumschaltröhre 1 her ragen Kontaktstücke 3 und 4 in die zylinderförmige Hülle 2 der Vakuumschaltröhre 1 hinein, z. B. ein festes Kontaktstück 3 von einer Seite, z. B. einer Grundfläche der zylinderförmigen Hülle 2, her hinein, und ein bewegliches Kontaktstück 4 von der anderen Seite, z. B. einer Deckfläche der zylinderförmigen Hülle 2, her in die Vakuumschaltröhre 1 hinein.
Der Hauptschirm 5 ist z. B. aus einem Metall, insbesondere Kupfer und/oder Stahl, und umfasst z. B. im Inneren Bedampfungsschirme bzw. Dampfschirme, welche der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt sind. Die hohlzylinderförmigen Isolatorsegmente 6 sind z. B. aus gesinterter Keramik hergestellt und insbesondere oberflächenbehandelt. Alternativ können die Isolatorsegmente 6 z. B. aus Glas und/oder einer Glaskeramik sein bzw. diese umfassen. Die Isolatorsegmente 6 sind als Steuerelemente ausgebildet, insbesondere als Kondensatoren und/oder Widerstände. Dazu sind z. B. Dotierstoffe in das Material der Isolatorsegmente 6 eingebracht. Die Isolatorsegmente 6 weisen dadurch z. B. Dielektrizitätskonstanten ε_r im Bereich von 15 bis 10000, insbesondere im Bereich von 15 bis 2000, auf, womit von guten elektrisch isolierenden Eigenschaften auszugehen ist. Für definierte Absteuerungen über die Länge der Vakuumschaltröhre 1 hinweg, können Isolatorsegmente 6 mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten ε_r verwendet werden.
Als Widerstände ausgebildet weisen die Isolatorsegmente 6 z. B. elektrische Leitfähigkeiten auf, welche in einem Bereich der resistiven Spannungssteuerung liegen, insbesondere im Bereich von Kilo Ohm und/oder Mega Ohm, womit von guten isolierenden Eigenschaften auszugehen ist. Als Kondensatoren ausgebildet weisen die Isolatorsegmente 6 elektrische Kapazitäten auf, welche in einem Bereich der kapazitiven Spannungssteuerung liegen, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 10000 pF. Die Isolatorsegmente 6 können durchgehend dotiert sein, oder z. B. nur an einer äußeren Oberfläche, womit im letzteren Fall die Isolatorsegmente 6 im Inneren reine Isolatoren darstellen und im äußeren Bereich Kondensatoren und/oder Widerstände sind. Dotierungen können auch in einer bestimmten Isolatorsegment-Tiefe und mit definierter Schichtdicke erfolgen. Unterschiedliche Widerstände oder Kapazitäten können z. B. durch unterschiedliche Dotierung der Isolatorsegmente 6 erzeugt sein, und/oder durch unterschiedliche Längen, Breiten und/oder Wandstärken der Isolatorsegmente 6. Isolatorsegmente 6 können nach Art eines Laminats aufgebaut sein, mit Isolatorsegment-Elementen unterschiedlicher Widerstands- und/oder Kapazitätswerte. Insbesondere können mehrere Ringe bzw. Hohlzylinder übereinander bzw. ineinander gestülpt bzw. angeordnet sein.
Die Isolatorsegmente 6 weisen z. B. eine Länge im Bereich von 10 bis 100 Millimetern auf, eine zweite Länge z. B. im Bereich von 20 bis 200 Millimetern, und/oder eine dritte Länge z. B. im Bereich von 30 bis 300 Millimetern. Weiter Längen sind möglich und/oder verschieden Kombinationen von unterschiedlich langen Isolatorsegmenten 6 sind möglich. Es sind auch gleiche Längen aller Isolatorsegmente oder einzelner Isolatorsegmente möglich. Der Durchmesser der Isolatorsegmente 6 liegt z. B. im Bereich von 10 bis 40 Zentimetern und die Wandstärke der Iolatorsegmente 6 liegt z. B. im Bereich von 10 bis 80 Millimetern. Es sind ebenfalls unterschiedliche Durchmesser und/oder Wandstärken der Isolatorsegmente 6 sowie Kombinationen unterschiedlicher Durchmesser und/oder Wandstärken möglich, oder es ist möglich alle Isolatorsegmente mit gleichen Abmessungen zu verwenden.
Wie zuvor beschrieben sind die Isolatorsegmente 6 über Metallschirme 5 miteinander mechanisch stabil und elektrisch kontaktierbar verbunden. Dabei erfolgt eine Verbindung z. B. bei einem Lötvorgang in einem Ofen bei einigen hundert Grad Celsius, bei der Herstellung der Vakuumschaltröhre 1. Dabei sind z. B. auch Dotierstoffe in die Isolatorsegmente 6 einbringbar, und/oder eine definierte Diffusion der Dotierstoffe bei hohen Temperaturen möglich. Die Dotierstoffe können z. B. bei einem Sintervorgang oder einem anderen Herstellungsvorgang der Isolatorsegmente 6 zuvor eingebracht worden sein. Die Metallschirme 5, insbesondere aus Kupfer und/oder Stahl, sind z. B. ringförmig und/oder hohlzylinderförmig ausgebildet. Im Inneren der Vakuumschaltröhre 1 umfassen die Metallschirme 5 z. B. Bedampfungsschirme bzw. Dampfschirme, welche der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt sind. Nach Außen gezogen ragen die Metallschirme 5 z. B. in Form flacher Ringe aus der Vakuumschaltröhre 1 heraus bzw. über den Isolatorsegment-Umfang hinaus, wobei beim Hauptschirm 5 z. B. zwischen zwei Ringen ein hohlzylinderförmiger Metallkörper angeordnet ist. Eine elektrische Kontaktierung bzw. Verschaltung zur Absteuerung der Vakuumschaltröhre 1 erfolgt z. B. über die äußeren Bereiche der Metallschirme 5.
Die Kontaktstücke 3 und 4 sind z. B. aus Kupfer und/oder Stahl, und insbesondere bolzenförmig, mit z. B. geschlitzten, tellerförmigen Enden im Inneren der Vakuumschaltröhre 1 ausgebildet. Das feste Kontaktstück 3 ist fluiddicht mit einem ersten Deckelteil 8 auf einem Ende der Vakuumschaltröhre 1 verbunden, wobei das Deckelteil 8 als vakuumdichter Verschluss der Vakuumschaltröhre 1 z. B. aus einem Metall, insbesondere Kupfer und/oder Stahl hergestellt ist. Das bewegliche Kontaktstück 4 ist fluiddicht mit einem zweiten Deckelteil 9 auf dem anderen Ende der Vakuumschaltröhre 1 verbunden, z. B. über einen Faltenbalg beweglich gelagert, was der Einfachheit halber in der Figur 1 nicht dargestellt ist. Das Deckelteil 9 ist als vakuumdichter Verschluss der Vakuumschaltröhre 1 z. B. aus einem Metall, insbesondere Kupfer oder Stahl hergestellt.
Über die nach Außen geführten Bolzen des festen Kontaktstücks 3 und des beweglichen Kontaktstücks 4, ist die Vakuumschaltröhre elektrisch kontaktierbar. Das bewegliche Kontaktstück 4 ermöglicht ein elektrisches Schalten durch Bewegung zum festen Kontaktstück 3 hin, d. h. zum Schließen eines Spalts zwischen den tellerförmigen Kontaktstück-Enden der Kontaktstücke 3 und 4, beim Einschalten, und durch Bewegung vom festen Kontaktstück 3 weg, d. h. zum Erzeugen eines Spalts zwischen den tellerförmigen Kontaktstück-Enden der Kontaktstücke 3 und 4, beim Ausschalten. Der erzeugte Spalt zwischen den Kontaktstück-Enden der Kontaktstücke 3 und 4 sowie die Kontaktstück-Enden selbst, sind im evakuierten Inneren der Vakuumschaltröhre 1 angeordnet, womit ein Spalt im Bereich von Millimetern bis hin zu Zentimetern zum Ausschalten insbesondere 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 z. B. einigen Zentimetern bis Metern, insbesondere 10 bis 150 Zentimetern.
Die Isolatorsegmente 6 sind z. B. entlang der Längsachse der Vakuumröhre 1 elektrisch in Reihe geschaltet, insbesondere über aufeinanderfolgende Metallschirme 5 jeweils elektrisch kontaktiert. Über die Metallschirme 5 sind die Isolatorsegmente 6 auch definiert, beliebig verschaltbar, z. B. über eine Verkabelung und/oder externe Schaltung, insbesondere Isolatorsegmente unterschiedlicher Länge, Breite und/oder Wandstärke und/oder unterschiedlich dotiert. Damit ist eine gute Absteuerung der Vakuumschaltröhren 1 entsprechend dem Einsatz, insbesondere abhängig von Strom- und/oder Spannungswerten und/oder der Umgebung im Einsatz möglich.
In Figur 2 sind zwei erfindungsgemäße Vakuumschaltröhren 1 der Figur 1 in Reihe hintereinander angeordnet dargestellt, gemäß einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 von Vakuumschaltröhren 1. Die Verschaltung der Isolatorsegmente 6, d. h. die elektrische Kontaktierung und Verbindung der Isolatorsegmente 6, erfolgt jeweils pro Vakuumschaltröhre 1 zwischen den Kontakten 3, 4 über die Metallschirme 5. Dabei ist eine Reihenschaltung, wie in Figur 2 dargestellt ist, möglich. Andere äußere Verschaltungen sind über eine elektrische Kontaktierung und Verschaltung der Metallschirme 5 möglich, insbesondere entsprechend einer gewünschten, vordefinierten Spannungsverteilung bzw. Absteuerung über die Vakuumschaltröhren 1. Dazu können z. B. die Metallschirme zweigeteilt aufgebaut sein, mit Isolatormaterial zwischen den wenigstens zwei Teilen. Damit sind benachbarte Isolatorsegmente getrennt voneinander elektrisch verschaltbar, jeweils mit einem Teil eines bestimmten Metallschirms elektrisch verbunden.
Die Vakuumschaltröhren 1 im Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind über die festen Kontaktstücke 3 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden, insbesondere über ein gemeinsam ausgebildetes festes Kontaktstück 3 oder über z. B. durch Schraub-, Kleb-, Löt-, Schweiß-, und/oder Pressverbindungen zusammengefügte Kontaktstücke 3. Die Vakuumschaltröhren 1 sind auch über bewegliche oder ein bewegliches und ein festes Kontaktstück 3, 4 miteinander verbindbar, was der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt ist. Ein Antrieb, z. B. ein Motor- und/oder Federspeicherantrieb, ist z. B. vorgesehen, um die beweglichen Kontaktstücke 4 beim elektrischen Schalten anzutreiben, was der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt ist.
Die Vakuumschaltröhren 1 sind z. B. in einem Gehäuse 11 angeordnet bzw. von einem Gehäuse 11 umfasst. Das Gehäuse 11 ist z. B. ein gasdicht verschlossener Metalltank- und/oder ein gasdicht verschlossenes Isolator-Gehäuse. Metalltank-Gehäuse sind z. B. aus Stahl und/oder Aluminium, insbesondere auf Erdpotential nach Art eines Dead-Tank. Isolator-Gehäuse sind z. B. aus Keramik, Silikon und/oder Verbundwerkstoffen, insbesondere mit einer gerippten äußeren Oberfläche zur Verlängerung von Kriechstrompfaden. Das Gehäuse 11 ist z. B. mit Clean Air als Isoliergas 12 befüllt, welches klimaneutral ist. Alternativ oder zusätzlich können Isoliergase 12 wie z. B. SF₆ und/oder CO₂ verwendet werden.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So können z. B. mehr als zwei Vakuumschaltröhren 1 miteinander verschaltet werden, insbesondere in Reihe und/oder parallel. Die Isolatorsegmente 6 können unterschiedliche Formen aufweisen, insbesondere Kreiszylinderförmige, Zylinderförmige mit elliptischer Grund- und Deckfläche, Rechteckige, Quadratische, und/oder Formen mit konvexer und/oder konkaver Oberfläche. Die Oberfläche der Isolatorsegmente 6 kann z. B. strukturiert sein, insbesondere gerippt und/oder mit einer Wellenstruktur.
Mit der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhre 1 und der Anordnung 10 von erfindungsgemäßen Vakuumschaltröhren 1 in Reihe hintereinander, insbesondere in Reihe verschaltet, ist über die Isolatorsegmente 6, als Widerstände und/oder als Kondensatoren ausgebildet, ein Absteuern von Spannungen über die Vakuumschaltröhren 1 möglich. Spannungen können gleichmäßig oder unterschiedlich, vorbestimmt, über die Wahl der Isolatorsegmente 6 und deren Verschaltung auf die Vakuumschaltröhren 1 bzw. deren Elemente aufgeteilt werden. Die Verwendung der Isolatorsegmente 6 als Widerstände und/oder Kondensatoren, wobei die Isolatorsegmente 6 elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen, insbesondere mit sehr hohen Widerstandswerten, womit von Isolatoren auszugehen ist, ermöglicht einen kompakten, platzsparenden Aufbau, was ein kostengünstiges, räumlich minimiertes Gehäuse 11 ermöglicht, und insbesondere den Einsatz von Isoliergasen 12, wie z. B. Clean Air, mit geringen bzw. minimierten und/oder Standard-Abmessungen von Gehäusen 11 ermöglicht. Die Absteuerung der Spannung, insbesondere von Hochspannung, über die Vakuumschaltröhre 1 bzw. Vakuumschaltröhren 1, verhindert bei geöffnetem Kontakt bzw. beabstandeten Kontaktstücken 3, 4 voneinander, Überspannungen und eine Beschädigung bis hin zur Zerstörung der Vakuumschaltröhre 1 und/oder der Anordnung 10 mit Vakuumschaltröhren 1. Beliebige, gewünschte Spannungsverteilungen sind durch unterschiedliche Schaltungen bzw. Verschaltungen möglich, insbesondere bei Verwendung von Isolatorsegmenten als Kondensatoren und/oder Widerständen unterschiedlicher Größe, insbesondere Isolatorsegmenten 6 unterschiedlicher Länge, Breite und/oder Wandstarke, und/oder Dotierung.

Bezugszeichenliste

1: Vakuumschaltröhre
2: Hülle
3: Festes Kontaktstück
4: Bewegliches Kontaktstück
5: Metallschirm, z. B. Hauptschirm
6: Isolatorsegment
7: Faltenbalg
8: Erstes Deckelteil
9: Zweites Deckelteil
10: Anordnung mit Vakuumschaltröhren
11: Metalltank- oder Isolator-Gehäuse
12: Isoliergas, z. B. Clean Air

Claims

Vakuumschaltröhre (1) zum Schalten von Spannungen, mit wenigstens einer Hülle (2) und mit wenigstens zwei Kontaktstücken (3, 4), wobei die wenigstens eine Hülle (2) wenigstens ein Isolatorsegment (6) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Isolatorsegment (6) als Steuerelement ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Hülle (2) zwei oder mehr Isolatorsegmente (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorsegmente aus Materialien ausgebildet sind und/oder Materialien umfassen, welche eine Dielektrizitätskonstante ε_r im Bereich von 15 bis 2000 aufweisen, und welche unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten ε_r aufweisen.
Vakuumschaltröhre (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Hülle (2) zwei oder mehr Isolatorsegmente (6) umfasst, verbunden jeweils über wenigstens einen Metallschirm (5).
Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Isolatorsegment (6) aus Glas, Keramik, und/oder Glaskeramik besteht und/oder Glas, Keramik, und/oder Glaskeramik umfasst.
Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Isolatorsegment (6) ausgebildet ist, die Hülle (2) vakuumdicht nach außen hin abzuschließen.
Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Isolatorsegment (6) hohlzylinderförmig ausgebildet ist, insbesondere mit einem kreiszylinderförmigen Querschnitt.
Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Hülle (2) Isolatorsegmente (6) unterschiedlicher Länge entlang der Längsachse der Vakuumschaltröhre (1) umfasst und/oder Isolatorsegmente (6) unterschiedlicher Breite, insbesondere im Querschnitt und/oder einer Wandstärke, umfasst.
Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Isolatorsegment (6) jeweils eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, welche in einem Bereich der resistiven Spannungssteuerung ist, insbesondere im Bereich von Kilo Ohm und/oder Mega Ohm, und/oder dass das wenigstens eine Isolatorsegment (6) jeweils eine elektrische Kapazität aufweist, welche in einem Bereich der kapazitiven Spannungssteuerung ist, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 10000 pF.
Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Kontaktstücke (3, 4) wenigstens ein räumlich festes Kontaktstück (3) und wenigstens ein räumlich bewegbares Kontaktstück (4) umfassen, wobei das wenigstens eine bewegbare Kontaktstück (4) insbesondere über wenigstens einen Faltenbalg (7) vakuumdicht in die wenigstens eine Hülle (2) geführt ist, und/oder wenigstens zwei Deckelteile (8, 9) die Vakuumschaltröhre an den Enden abschließen, und/oder die Isolatorsegmente (6) mit den Deckelteilen (8, 9) die Vakuumschaltröhre (1) mit dem wenigstens einen Faltenbalg (7) vakuumdicht nach außen hin abschließen, wobei die Isolatorsegmente (6) insbesondere über Metallschirme (5) untereinander verbunden sind.
Vakuumschaltröhre (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltröhre (1) ausgebildet ist, Spannungen im Hochspannungsbereich, insbesondere im Bereich größer oder gleich 52 kV zu schalten.
Anordnung (10) mit Vakuumschaltröhren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, insbesondere mehr als zwei Vakuumschaltröhren (1) elektrisch in Reihe geschaltet sind, insbesondere mit Isolatorsegmenten (6) in Reihe geschaltet, elektrisch verbunden über wenigstens einen Metallschirm (5), und/oder über mehrere Metallschirme (5), und/oder dass die Vakuumschaltröhren (1) elektrisch in Reihe geschaltet sind über Kontaktstücke (3, 4) der Vakuumschaltröhren (1).
Anordnung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metalltank- und/oder ein Isolator-Gehäuse (11) umfasst ist, in welchem die Vakuumschaltröhren (1) angeordnet sind, insbesondere befüllt mit Clean Air als Isoliergas (12).
Verfahren zum Absteuern von Vakuumschaltröhren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder von Anordnungen (10) mit Vakuumschaltröhren (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Absteuern mittels Isolatorsegmenten (6) als Steuerelementen erfolgt, insbesondere als Kondensatoren und/oder Widerständen, welche Teil der Hüllen (2) der Vakuumschaltröhren (1) sind und/oder um die jeweilige Hülle (2), insbesondere als Ring die Hülle (2) umschließend, angeordnet sind, insbesondere in einem Gehäuse (11) mit den Vakuumschaltröhren (1), und/oder mit Isolatorsegmenten (6) unterschiedlicher Vakuumschaltröhren (1), welche in Reihe geschaltet sind.