DE3407858C2

DE3407858C2 -

Info

Publication number: DE3407858C2
Application number: DE19843407858
Authority: DE
Inventors: Ernst Prof. Dr.Techn.Habil. 1000 Berlin De Slamecka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-29
Filing date: 1984-02-29
Publication date: 1988-08-25
Also published as: DE3407858A1

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Vakuumschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Vakuumschalter ist aus der DE 25 18 948 A1 bekannt.

Schaltstücke von Vakuumschaltern führt man wegen des Partikel-Problems als Stumpfkontakte aus. Auf Kontakte solcher Form wirken im stromdurch flossenen Zustand abstoßende Kräfte ein. Bei großen Kurzschlußströmen er reichen diese Kräfte Werte bis zu einigen Tausend N. Um trotzdem ein schäd liches Abheben des bewegbaren Kontakts zu vermeiden, muß eine Gegenkraft mechanisch erzeugt werden. Damit verbinden sich jedoch verschiedene Prob leme: Einmal vergrößert sich dadurch die Antriebsenergie für Vakuumschal ter mit großen Kurzschluß-Schaltströmen erheblich, und ihr großer Vorteil, nur eine kleine Antriebsenergie zu benötigen, verkleinert sich.

Dann stehen die Kontakte dauernd unter dem hohen mechanischen Anpreßdruck, auch wenn er während der Führung von Betriebsströmen, das heißt während der längsten Betriebszeit, gar nicht gebraucht wird. Unter diesem hohen Druck kann es zu einem Kaltverschweißen der Kontakte kommen; be günstigt wird das durch die Kontakterwärmung. Beim Ausschalten bricht die Verschweißung auf. Partikel können entstehen und die Spannungsfes tigkeit der Vakuumschaltstrecke herabsetzen: CIGRE 1982, Report 13-08.

Hohen Flächenpressungen sind besonders die Kontakte der Vakuumschalter mit kontrahiertem und daher zu bewegendem Lichtbogen ausgesetzt. Solche Kontaktflächen müssen dem Lichtbogen als Laufschienen dienen, und diese unverzichtbare Nebenfunktion verbietet eine großflächige Konstruktion.

Vakuumschalter mit diffuser Entladung sind dank ihrer großflächigen Elektroden etwas besser gestellt.

Außerdem gehen von ihren Schaltstückanordnungen zur Erregung eines axialen Magnetfeldes anziehende Kräfte aus. Dagegen stoßen sich die Schaltstückanordnungen zur Erregung eines radialen magnetischen Feldes, wie es zur Rotation eines kontrahierten Lichtbogens benötigt wird, ab.

Hinzugefügt sei noch, daß zur Verschweißung die Kontakte besonders nei gen beim Einschalten großer Kurzschlußströme unter hohem Kontaktdruck. Wenn anschließend stromlos ausgeschaltet wird, erhöht sich die Wahr scheinlichkeit der Partikelbildung.

Um den hohen permanenten Kontaktdruck mit seinen nachteiligen Folgen auf die Vakuumschalter zu vermeiden, ist bereits vorgeschlagen worden, die elektrodynamische Kontakt-Abhebekraft elektrodynamisch zu kom pensieren: US-Patent 40 25 886.

Solche Kompensationssysteme sind jedoch kompliziert, und wohl hauptsäch lich aus diesem Grund praktisch nicht angewendet worden.

Damit läßt sich also das Kontakt-Abstoßproblem bei den bisher bekannten Vakuumschaltern zufriedenstellend nicht lösen.

Der hohe Kontaktdruck wirft jedoch noch ein Problem ganz anderer Art auf:
Kontaktabstoßung und hoher Gegendruck wirken sich auf das Schaltgehäuse als Zugkraft aus; dagegen muß es verstärkt werden oder man kann es durch Zugstäbe aus Isolierstoff entlasten: ältere Anmeldung DE-OS 33 15 378. Mit diesen zusätz lichen Konstruktionselementen gibt es dann Probleme elektrischer Natur.

Stumpfkontakte sind Fingerkontakten auch hinsichtlich der Stromtragfähig keit unterlegen, denn man hat nicht soviel Spielraum für eine Vergrö ßerung von Kontakt-Druck und Fläche. Die Folge ist eine starke Erwär mung der Stumpfkontakte. Das Vakuum läßt aber Wärme nur als Strahlung durch. Doch dieser Wärmetransport durch Strahlung ist auch bei einer relativ hohen Kontakttemperatur von z. B. 100 Grad C wegen seiner T⁴- Abhängigkeit noch nicht sehr groß. Daher muß bei Vakuumschaltern der größte Teil der Stromwärme über den Stromleiterbolzen und Schaltstück träger aus dem Schaltgehäuse herausgebracht werden.

Bei großen Dauerströmen von z. B. 2500 A bedingt dieser Umstand schon sehr kräftige Stromleiterbolzen und außerdem muß das Temperaturgefälle groß sein zwischen den Kontakten und den Schalteranschlußklemmen. Zu die sem Zweck müssen große aufwendige Kühlkörper angebaut werden (siehe z. B. DE-OS 33 15 378).

Aus den Druckschriften DE-OS 25 18 948 und DE-OS 26 18 167 ist es jeweils bekannt, im Innenraum des Vakuumschaltgehäuses dem Schaltleistungskontaktpaar ein weiteres Kontaktpaar zur Führung des Dauerstroms parallelzuschalten; dabei öffnet das Dauerstromkontakt paar beim Ausschalten zuerst, und es schließt zuerst beim Einschalten.

Aus der EP 00 92 205 A2 ist es bekannt, einem Vakuumschalter einen kompletten SF₆-Schalter zur Führung des Dauerstroms parallelzuschalten; in diesem Fall öffnet der SF₆-Schalter beim Ausschalten gegenüber dem Vakuumschalter verzögert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den gattungsge mäßen Vakuumschalter derart zu verbessern, daß der Kontaktwiderstand verkleinert wird, das Stromwärmeableitvermögen der Kontaktanordnung vergrößert wird und ein herkömmlicher Vakuumschalter einfach nachrüstbar wird.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebnen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Ausführungs beispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.

Für das Ausführungsbeispiel ist ein Vakuumschalter mit metallischem Schaltgefäß und Einfach-Isolierdurchführung gewählt worden. Das Schalt stücksystem kann beliebig sein, das heißt, entweder ein radiales oder ein axiales Magnetfelt erzeugen; sicherlich vorteilhafter ist das axiale Magnetfeld. Bestimmt ist der Vakuumschalter für den Einbau in eine metall gekapselte gasisolierte Schaltanlage; die Abmessungen seiner Isolier-Durch führung sind daher reduziert gemäß DE-PS 33 47 741.

Das Bild zeigt den Schalter im Längsschnitt; rechts von der Mittellinie be findet er sich im ausgeschalteten, links davon im eingeschalteten Zustand. Das Schaltgefäß (15) nimmt das feststehende (6) und das bewegbare (7) Schaltstück auf. Stromleiterbolzen (4, 5) tragen diese Schaltstücke. Der Stromleiterbolzen (5) geht in das Anschlußstück (11) über. An den beweg baren Stromleiterbolzen (4) schließt sich das Verbindungsstück (29) an; an seiner Stirnseite ist ein Federteller (30) befestigt als Widerlager für die Druckfeder (31). Die vakuumdichte Einführung des bewegbaren Stromleiterbolzen ermöglicht der Faltenbalg (8), der sich partiell in dem Stutzen (18) befindet und an seiner Stirnseite befestigt ist. Den Abschluß des Schaltgefäßes auf der anderen Seite bildet eine Scheibe auf der Isolierdurchführung (16), die mit dem äußeren Stromleiter (22) kombiniert ist. Den Scheibenrand besetzen Kontaktfinger (25). Im einge schalteten Zustand des Schalters stehen sie mit den bewegbaren Kontakt fingern (27) im Eingriff. Die feststehenden Kontaktfinger sind gerundet, um im ausgeschalteten Zustand keine hohe elektrische Feldstärke entstehen zu lassen. Zu demselben Zweck weisen auch die bewegbaren Kontaktfinger an den Enden Rundungen (26) auf. Diese Kontaktfinger sind an einem Trag zylinder befestigt und stehen an seinem Umfang einander in zwei Gruppen symmetrisch gegenüber. Der große Tragzylinder setzt sich in einen klei neren gehäuseartigen Zylinder (32) fort, dessen Abschlußplatte (33) das zweite Widerlager für die Feder (31) bildet. Dauer- und Kurzschlußstrom fließen jedoch nicht mehr durch dieses bereits dem speziellen Antrieb system zugehörige Bauelement. Die Ströme werden schon vorher durch das Stromband (34) den hier nur symbolisch angedeuteten Anschlußklemmen (35) zugeleitet.

Die zu schaltenden Betriebs- und Kurzschlußströme fließen nach dem Pas sieren des Schaltraumes zwischen den Unterbrecherkontakten von dem bewegbaren Stromleiterbolzen über den Gleitkontakt (28) der Anschluß klemme (35) zu.

Das Aus- und Einschalten spielt sich folgendermaßen ab:
Im eingeschalteten Zustand ist die Feder (31) gespannt und drückt über Federteller (30) und bewegbaren Stromleiterbolzen (4) das daran befes tigte Schaltstück (7) an das feststehende Schaltstück (6). Dabei kann der Kontaktdruck sehr klein sein, so daß keine schädlichen Warm- oder Kaltverschweißungen eintreten, denn das innere Stromleitungs- und Kon taktsystem ist praktisch stromlos. Den Strom führt erfindungsgemäß das äußere Stromleitungs- und Kontaktsystem. Die Kontaktdruckfeder wird durch den Druck des Isoliergases auf die ihm ausgesetzte Außenfläche des bewegbaren Schaltstücks unterstützt; gegebenenfalls kann auf die Feder ganz verzichtet werden, was zur Vereinfachung der Konstruktion beiträgt.

Im Verlauf einer Ausschaltung öffnen sich bei zunächst noch geschlossenen Unterbrecherschaltstücken (6, 7) die Dauerstromschaltstücke (25, 27). Dabei kommutiert der Strom auf das innere Kontakt- und Stromleitungssystem.

Nachdem der äußere Kontaktabstand ausreichend groß geworden ist, trifft die Mitnehmerscheibe (36) auf den Federteller (30), nimmt den bewegbaren Kontakt mit und öffnet so den Schaltraum.

In dieser Schaltphase findet die Stromunterbrechung statt. Die Einschwingspannung wird sowohl von dem inneren als auch von dem äußeren Schaltraum gehalten.

Anschließend öffnen sich die inneren und äußeren Schalträume bis zu ihrer vollen Isolierfähigkeit auch gegen Prüfspannungen.

Die stromunterbrechende Ausschaltung ist damit beendet. Das Einschalten vollzieht sich in der umgekehrten Reihenfolge: Zuerst schließen sich unter Feder- und/oder Gasdruck die Schaltkontakte im Vakuum und übernehmen zunächst den Einschaltstrom.

Die Dauerstromkontakte folgen nach und überbrücken, praktisch ohne Vorüberschlag, das innere Kontaktsystem. Die den Strom einleitende Einschaltung ist damit beendet.

Claims

1. Vakuumschalter

- mit einem Schaltgehäuse (15) aus elektrisch isolierendem oder elektrisch leitendem Werkstoff,
- mit zwei räumlich parallel zueinander angeordneten Schaltstückpaaren (6, 7; 25, 27) aus je einem feststehenden (6, 25) und einem bewegbaren (8, 27) Kontaktstück,
- wobei beim Einschalten zunächst das erste Schaltstück paar (6, 7) schließt und im geschlossenen Zustand von dem zweiten Schaltstückpaar (25, 27) elektrisch kurzgeschlossen wird und beim Ausschalten das zweite Schaltstückpaar (25, 27) zuerst öffnet und
- wobei zwischen den zweiten Schalt stücken (25, 27) im geöffneten Zustand mindestens dieselbe Spannungsfestigkeit besteht wie zwischen den geöffneten ersten Schaltstücken (6, 7),
- mit einer oder zwei Isolierdurchführungen für eine bzw. zwei Strom- und Spannungszuleitungen zu den Schalt stücken bei Schaltgehäusen aus elektrisch leitendem Werkstoff,
- mit einem Faltenbalg (8) zur gasdichten Zuführung der Schaltkraft an ein zu bewegendes Schaltstück,
- mit einer Vorrichtung zur Erzeugung der Schaltkraft und ihrer Zuleitung an das Schaltgehäuse,

dadurch gekennzeichnet,

- daß das zweite Schaltstückpaar (25, 27) außerhalb des Schaltgehäuses (15) angeordnet ist, und
- daß das bewegbare äußere Schaltstück (27) aus einzelnen, am Umfang eines Kontaktfingerträgers in mindestens zwei Gruppen angeordneten Kontaktfingern besteht.

2. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare innere Schaltstück (7) durch das bewegbare äußere Schaltstück (27) mechanisch betätigt wird.

3. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung des bewegbaren inneren Schaltstücks (7) in Abhängigkeit vom Schalthub erfolgt.

4. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die mechanische Betätigung des bewegbaren inneren Schalt stücks eine Kupplungsvorrichtung verwendet wird, und daß die Kupplungsvorrichtung aus Mitnehmern (33, 36) Federge häuse (30) und Feder (31) besteht.

5. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgehäuse (15) aus Metall angefertigt ist, und daß zwei elektrisch isolierende Hohlkörper für die Strom- und Spanungseinleitung vorhanden sind.

6. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgehäuse aus Metall angefertigt ist, und daß ein elektrisch isolierender Hohlkörper für die Strom- und Spannungseinleitung vorhanden ist.