DE3914967C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit äußerer Axialmagnetfeld-Erzeugungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Das Anwendungsgebiet der damit ausgerüsteten Vakuumschalter liegt im Gebiet der Mittel- und Hochspannung.

Stand der Technik

Eine äußere Windungsanordnung, die im stromdurchflossenen Zustand ein axiales Magnetfeld erzeugt, ist durch die DE 31 50 974 C3 bekannt. Wie dort gezeigt wird, ist die Stromzuleitung zum feststehenden Schaltstück als einzelne den Stromleiterbolzen umschlingende Windung ausgebildet. Würde eine solche offene Windung im Durchmesser und in der Höhe vergrößert und auf das Schaltgehäuse geschoben werden, wo sie dann die Schaltstrecke zwischen feststehendem und bewegbarem Kontakt überdeckt, und würde das eine Ende der offenen Windung weiter mit dem Stromleiterbolzen verbunden bleiben und das andere Ende an die Stromzuleitung angeschlossen werden wäre folgendes zu erwarten:

Bei großen Kurzschlußströmen wirken auf die offene Windung Öffnungskräfte ein. Wegen mangelnder Kompensation wirken sich diese Stromkräfte auch auf den mit dem Windungsende verbundenen Stromleiterbolzen aus und somit auch auf das Schaltgehäuse.

Bei großen Dauerströmen müssen für die Abfuhr der Stromwärme besondere Maßnahmen getroffen werden.

Bei einer einzelnen offenen Windung wird das von ihr im stromdurchflossenen Zustand erzeugte axiale Magnetfeld im Bereich der Öffnung verzerrt sein.

Die Herstellung einer offenen Windung, die den Beanspruchungen durch große Kurzschluß- und Dauerströme gewachsen sein soll, kann aufwendig sein.

Bei einer einlagigen Außenspule hoher Stromtragfähigkeit um das Vakuumschaltgehäuse schwächt die dadurch bedingte Schräglage der Spulenwindungen das axiale Magnetfeld. Es ist aus der DE 29 11 706 C2 bekannt, diese Feldschwächung durch eine doppellagige Spule auszugleichen; dabei sind die Windungen der inneren und der äußeren Lage schraubenförmig hin- und rückläufig bei gleich großer, entgegengesetzter Neigung zur Spulenachse ausgeführt. Eine solche Spulenanordnung muß immer aus zwei oder vielfachen von zwei Lagen aufgebaut sein, was nur eine Grobanpassung ermöglicht. Die Reihenschaltung der Spulenlagen erhöht den elektrischen Widerstand. Die Windungen werden durch Schlitzung von Rohren oder durch Guß hergestellt, was relativ aufwendig ist.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäßen Vakuumschalter derart zu verbessern, daß bei einer Anordnung offener Windungskörper um das Schaltgehäuse die Stromkräfte weitgehend neutralisiert werden, die Kühlungsverhältnisse bei offenen Windungskörpern verbessert werden, das im Öffnungsbereich offener Windungskörper verzerrte axiale Magnetfeld vergleichmäßigt wird und die industrielle Herstellung offener Windungskörper vereinfacht wird.

Lösung der Aufgabe und damit erzielbare Vorteile

Die gestellte Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Vakuumschalter durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Es ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile:

Durch die bei zwei oder mehr offenen Windungskörpern mögliche rotationssymmetrische Anordnung der Verbindungsstücke zu Schaltstück und Stromanschlußstück lassen sich die Stromkräfte weitgehend neutralisieren.

Im Ringspalt zwischen den offenen Windungskörpern entsteht durch eine Art Kaminwirkung eine Strömung des umgebenden Mediums (Luft oder SF6), welche die Stromwärme von den Oberflächen abführt und dadurch die Kühlung verbessert.

Durch das Überdecken der gestörten Axialmagnetfelderregung im Öffnungsbereich des einen Windungskörpers mit der ungestörten Axialmagnetfelderregung im Vollwandbereich des anderen Windungskörpers ergibt sich ein vergleichmäßigtes axiales Magnetfeld.

Als Halbzeug für die offenen Windungskörper kann handelsübliches Kupferblech verwendet werden.

Ausführungsbeispiel

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 Vakuumschaltrohr in Ansicht mit Schaltgehäuseboden in Draufsicht; Zylindermantel-Windungen von der Drauf­ sicht in die Schnitt-Ansicht übergehend.

Fig. 2 Schraubenmantel-Windungen um Schaltgehäuse, Ansicht.

Fig. 3 Schraubenmantel-Windungen, Abwicklung.

Aus dem Durchführungsisolator (1) an dem Schaltgehäuse (2) des Schalt­ rohres (1) schaut in Fig. 1 der Stromanschlußbereich des bewegbaren Stromleiterbolzen (4) hervor. Durch den Boden (5) des Schaltgehäuses ist der feststehende Stromleiterbolzen (6) durchgeführt. Im Schaltge­ häuse stehen sich der feststehende (7) und der bewegbare (8) Kontakt im ausgeschalteten Zustand axial gegenüber; beide Kontakte sind mit einem Teil des zugehörenden Stromleiterbolzens gestrichelt skizziert.

Das Schaltgehäuse ist von zwei offenen Zylindermantel-Windungen, einer inneren (9) und einer äußeren (10), umgeben. Die offenen Mantelenden sind an der einen Seite durch je ein inneres rotationssymmetrisch angeordnetes Verbindungsstück (11, 12) mit dem feststehenden Stromlei­ terbolzen (6) verbunden. An der gegenüberliegenden Seite verbindet die offenen Mantelenden jeweils ein gleichfalls rotationssymmetrisch ange­ ordnetes Verbindungsstück (15, 16) mit dem U-förmigen Bügel (17). An diesem Bügel kann ein Stromanschlußstück entweder seitlich oder zen­ tral angeordnet sein; dargestellt ist ein zentral angebrachtes (40). Alle Verbindungsstücke und das Stromanschlußstück sind nur durch ihre Mittellinien repräsentiert, was die angestrebte und erreichte Symme­ trie besonders deutlich macht.

Durch die rotationssymmetrische Anordnung der inneren Verbindungsstücke heben sich die auf den feststehenden Stromleiterbolzen einwirkenden Stromkräfte auf. Außerdem halten sie die Mantelenden fest, so daß sie sich nicht aufbiegen.

Die Mantelenden auf der gegenüberliegenden Seite werden durch die Verbindungsstücke (15, 16) im Verbund mit dem Anschlußbügel (17) in ihrer Position gehalten.

Der Längsspalt (14) im inneren Zylindermantel (9) wird durch den Voll­ wandbereich des äußeren Zylindermantels (10) überdeckt und beim Längs­ spalt (13) im äußeren Zylindermantel verhält es sich umgekehrt.

Im Bereich des Längsspaltes eines offenen Windungskörpers ist das axi­ ale Magnetfeld wegen des nicht mehr kreisförmigen Stromverlaufes ver­ zerrt. Diese Verzerrung wird in Richtung auf den gegenüberliegenden Vollwandbereich abnehmen. Wenn sich nun , wie bei dem dargestellten offenen Zwei-Zylindermantel-Windungssystem zutreffend, Spalt- und Wandbereiche rotationssymmetrisch überdecken, werden die örtlichen Verzerrungen nahezu vollständig ausgeglichen.

Den Stromverlauf im Zwei-Zylindermantel-System deuten Strompfeile an. In der offenen, vom Lichtbogenstrom durchflossenen Schaltstrecke ist zusätzlich zu den (kürzeren) Strompfeilen das erzeugte axiale Magnet­ feld durch (längere) Feldpfeile ebenfalls symbolhaft dargestellt.

Die Zylindermäntel (9, 10) schließen den äußeren Ringspalt (18) ein. Den inneren Ringspalt (19) bildet der innere Zylindermantel (9) mit der zylindrischen Wand des Schaltgehäuses (2). Durch eine Art Kamin­ wirkung entsteht im stromdurchflossenen Zustand in beiden Ringspal­ ten eine Gasströmung (Luft oder SF6). Diese Strömung nimmt die Strom­ wärme aus den Wänden auf und führt sie in den Außenraum ab. Dadurch lassen sich Kühlrippen an der Außenoberfläche des äußeren Zylinder­ mantels einsparen.

Halbzeug für die offene Zylindermantelwindung ist Kupferblech, das in passender Wandstärke zugeschnitten und dann eingerollt wird. Die Aus­ gangsform, das bereits zugeschnittene Kupferband, zeigt in Fig. 3 die Abwicklung des an späterer Stelle noch zu erläuternden Schraubenman­ tels als Weiterbildung des Zylindermantels.

Bei der offenen Zylindermantelwindung befinden sich die Stromanschluß­ stellen etwa auf gleicher Höhe an den sich gegenüberliegenden Enden des Zylindermantels. Es muß demnach dafür gesorgt werden, daß sich der Strom von der Eintrittstelle aus möglicht gleichmäßig über die Länge des Zylindermantels verteilt. Zu diesem Zweck kann der Zylin­ dermantel im anschluß-seitigen Randbereich z.B. mit nicht dargestell­ ten Stromleit-Längsspalten versehen sein. Eine andere Möglichkeit, den Stromfluß im Zylindermantel über seine Länge zu vergleichmäßigen, besteht darin, den Mantel das Schaltgehäuse mit einer anderen Form veränderlicher axialer Erstreckung umgeben zu lassen.

Zum Beispiel kann der Zylindermantel so gestaltet werden, daß er das Schalt­ gehäuse in Form eines Schraubenbandes umgibt. Und zwar derart, daß die Schraubenbänder (9a, 10a) von den Anschlußstellen (15, 16) beginnend eine halbe Ganghöhe lang abfallen bis der isolatorseitige Rand des Schaltgehäuses etwa erreicht ist - dabei werden die Kontakte (7, 8) überdeckt - und anschließend im Verlauf der zweiten Hälfte der Schrau­ benganghöhe wieder auf die Stromanschlußstelle ansteigen, Fig. 2. Man kann eine solche Anordnung auch als zwei fortschreitende Halb­ schraubengänge mit jeweils entgegengesetztem Windungssinn auffassen; an ihren Enden werden sie verbunden, so daß eine Vollwindung mit wech­ selndem Windungssinn entsteht.

Die inneren Verbindungsstücke (11, 12) sind an einer Buchse (6a) um das dafür abgefaste Ende des feststehenden Stromleiterbolzens (6) befestigt. Somit läßt sich das Axialfeld-Erzeugungssystem der offenen Windungen einfach an einem Schaltrohr anbringen - auch nachträglich, zur Erhö­ hung der Ausschaltleistung eines schon vorhandenen Rohr-Typs. Hinzuweisen ist noch darauf, daß im Bereich der Stromanschlußstellen das eine Schraubenband das Anbringen von Stromanschlüssen am anderen Band nicht behindert.

Offener Zylindermantel oder gegebenenfalls Schraubenband sind so zu bemessen, daß ein jedes den Dauerstrom führt, ohne daß eine bestimmte Temperatur überschritten wird und weiter, daß die Stromkraft diese Formkörper nicht aufweitet. Dafür sind für ein und dasselbe Objekt zwei Berechnungsverfahren anzuwenden, die zwei verschiedenen physi­ kalischen Bereichen entstammen. Von den errechneten unterschiedlichen Wandstärken ist die größte zu nehmen; hier ergibt sie sich aus der elektrodynamischen Beanspruchung. Ein solches Verfahren würde eine große Wandstärke von Zylindermantel oder Schraubenband ergeben.

Die Abhilfe besteht darin, allgemein ausgedrückt, die Verkettung eines Objektes mit zwei physikalisch verschiedenen Beanspruchungen aufzuheben. Im vorliegenden Fall bedeutet das, Zylindermantel oder Schraubenband nur hinsichtlich der zulässigen Stromerwärmung auszu­ legen, was die kleinere Wandstärke ergibt, und zur Aufnahme der Strom­ kraftbeanspruchung ein dafür besser geeignetes Bauteil vorzusehen, nämlich ein Band oder eine Hülse aus rostfreiem Stahl. Das Band (23) umfaßt in Fig. 1 den äußeren Zylindermantel und eine nicht dargestell­ te Hülse umfaßt das Schraubenband in Fig. 2. Solche Bänder oder Hülsen shunten den jeweils umgebenen offenen Windungskörper nur wenig und auch das läßt sich vermeiden, wenn die inneren Oberflächen elektrisch nicht-leitend beschichtet sind.

Wie aus der Zeichnung in Fig. 1 weiter ersichtlich ist, stützt sich der innere Zylindermantel am äußeren ab über einzelne elektrisch schlecht- oder nicht-leitende Distanzstücke (24), die im Ringspalt (18) entlang des Umfanges verteilt sind.

Die Spezialisierung des offenen Windungskörpers auf die Führung des Dauerstromes und das Vorsehen eines getrennten Bauteils für die Auf­ nahme der Stromkraft eignet sich nicht allein für Zwei- oder Mehrfach- Windungskörper, sondern auch für offene Einzel-Windungskörper.

Claims (10)

1. Vakuumschalter mit äußerer Axialmagnetfeld-Erzeugungseinrichtung mit:

• a) einem evakuierten Schaltgehäuse (2) aus elektrisch leitendem Material, in dem ein feststehendes Schaltstück (6, 7) und ein bewegbares Schaltstück (4, 8) angeordnet sind;
• b) einer außerhalb des Schaltgehäuses angeordneten offenen Windungsanordnung zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes;
• c) Windungsenden der Windungsanordnung, von denen das eine Ende mit dem feststehenden Schaltstück (6, 7) und das andere Ende mit einem Stromanschlußstück verbunden ist;

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• d) die Windungsanordnung wird durch mindestens zwei offene Windungskörper gebildet, die das Schaltgehäuse mindestens auf einem Teil seiner Längenerstreckung umgeben;
• e) die Öffnungsbereiche und die Vollwandbereiche der jeweiligen Windungskörper überdecken sich;
• f) die Verbindung der einen Windungsenden der jeweiligen Windungskörper mit dem feststehenden Schaltstück (6, 7) erfolgt durch rotationssymmetrisch angeordnete innere Verbindungsstücke (11, 12) und die Verbindung der anderen gegenüberliegenden Windungsenden der jeweiligen Windungskörper mit dem Stromanschlußstück erfolgt durch rotationssymmetrisch angeordnete äußere Verbindungsstücke (15, 16).

2. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: zumindest die Endbereiche des jeweils einen offenen Windungskörpers sind mit dem überdeckenden Vollwandbereich des jeweils anderen offenen Windungskörpers durch elektrisch schlecht leitende oder isolierende Abstandskörper (24) verbunden.

3. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: die offenen Windungskörper sind als seitlich offene Hohlzylinder (9, 10) mit entlang des Umfanges nicht veränderlicher Mantellänge ausgebildet.

4. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1 oder 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: an dem einen Ende sind die jeweiligen seitlich offenen Hohlzylinder (9, 10) durch die inneren Verbindungsstücke (11, 12) mit dem feststehenden Schaltstück (6, 7) rotationssymmetrisch verbunden und an dem anderen gegenüberliegenden Ende durch die äußeren Verbindungsstücke (15, 16) rotationssymmetrisch mit dem Stromanschlußstück (17, 40).

5. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: die offenen Windungskörper sind als seitlich offene Hohlzylinder ausgebildet, deren Ausdehnung in axialer Richtung sich entlang zumindest eines Teiles ihres Umfanges verändert.

6. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1 oder 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: die Stirnränder jeweils eines Hohlzylinders (9a, 10a) verändern sich um die und entlang der Achse nach jeweils einer Schraubenlinie, die von der jeweils ersten Stromanschlußstelle (15, 16) über der ersten Hälfte des Umfanges abfällt und anschließend über der zweiten Hälfte des Umfanges wieder ansteigt bis zur jeweils zweiten Stromanschlußstelle an den Verbindungsstücken (11, 12).

7. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 5 oder 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: an dem einen Ende sind die jeweiligen seitlich offenen Hohlzylinder mit in axialer Richtung zumindest entlang eines Teiles ihres Umfanges veränderlicher Ausdehnung durch die inneren Verbindungsstücke (11, 12) mit dem feststehenden Schaltstück (6, 7) rotationssymmetrisch verbunden und an dem anderen gegenüberliegenden Ende durch die äußeren Verbindungsstücke (15, 16) rotationssymmetrisch mit einem Stromanschlußstück.

8. Vakuumschalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: der Öffnungsbereich und der Vollwandbereich der jeweiligen Windungskörper überdecken sich rotationssymmetrisch.

9. Vakuumschalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: der äußere Windungskörper (10) ist von einem hohlzylindrischen Körper (23) zumindest teilweise umgeben, der aus einem Material besteht, das mechanisch fester und elektrisch weniger leitfähig ist als das Material des Windungskörpers.