DE3781447T2 - Vakuumschalter. - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft allgemein einen Vakuumschalter und insbesondere einen Vakuumschalter vom Typ mit angelegtem Axialmagnetfeld, bei dem ein axialmagnetisches Feld parallel zu einem Lichtbogen-Stromweg angelegt wird, der zwischen voneinander getrennten Elektroden innerhalb des Vakuummantels des Schalters erzeugt wird.
Beschreibung des Standes der Technik
• EP-A-0 204 262 (veröffentlicht am 10.12.86, deswegen gemäß Art. 54(3) EPÜ zum Stand der Technik gehörend, und die der später veröffentlichten US-A-4 661 666 entspricht) beschreibt einen Vakuumschalter vom Typ mit axialmagnetischem Feld, der eine einen extern angebrachten Balg umgebende Spule besitzt. Der Balg ist an dem bewegbaren Zuleitungsstab angebracht, der der kürzere der beiden Leitungsstäbe ist. Die kurze Spule dieses Vakuumschalters umgibt weder den Metall- noch den Isolierzylinder, welche die Vakuumkammer bilden, und umgibt deshalb nicht die innerhalb der Kammer angeordneten bewegbaren und stationären Elektroden.
• JP-A-59-79921 beschreibt einen Vakuumschalter nach dem Stand der Technik, wie er in Fig. 1 gezeigt ist. Dieser Schalter besitzt einen Vakuummantel 1 und eine scheibenförmige stationäre Elektrode 2 und eine bewegbare Elektrode 3, die innerhalb des Vakuummantels 1 angeordnet und zum Ausbilden oder Unterbrechen von elektrischen Kontakten zwischen diesen betätigbar ist. Der Vakuummantel 1 umfaßt einen Isolierzylinder 4, eine scheibenförmige Metallendplatte 5, die hermetisch an einer Kante des isolierenden Zylinders 4 über einen Metalldichtring 6 befestigt ist, einen mit Boden versehenen Metallzylinder 7, dessen offenes Ende hermetisch an der anderen Kante des isolierenden Zylinders 4 über einen Metalldichtring 6 angebracht ist. Die stationäre und die bewegbare Elektrode 2 bzw. 3 sind innerhalb des Metallzylinders 7 angeordnet.
• Ein stationärer Zuleitungsstab 9 tritt hermetisch hindurch und ist an einem ebenen Boden 7a des Metallzylinders 7 befestigt. Ein inneres Ende des stationären Zuleitungsstabes 9 trägt die stationäre Elektrode 2 innerhalb des Metallzylinders 7. Andererseits tritt ein bewegbarer Leitungsstab 10 lose durch die Metallendplatte 5 und ist hermetisch über einen Metallbalg 11 an der Metallendplatte 5 befestigt. Ein inneres Ende des bewegbaren Zuleitungsstabes 10 trägt die bewegbare Elektrode 3 innerhalb des Metallzylinders 7. Damit ist der bewegbare Zuleitungsstab 10 beträchtlich länger als der stationäre Zuleitungsstab 9. Der Balg 11 ist innerhalb des isolierenden Zylinders 4 angeordnet, wobei seine Innenfläche der Atmosphäre ausgesetzt ist. Der Balg 11 ist von den Elektroden 2 und 3 innerhalb des Vakuummantels 1 soweit wie möglich entfernt, um den Balg 11 vor der Abscheidung von Metalldampf zu schützen, der durch die Elektroden 2 und 3 während der Öffnungs- und Schließbetätigung erzeugt wird. Ein schüsselförmiger Balgschirm 12 ist an einem Zwischenabschnitt des bewegbaren Zuleitungsstabes 10 befestigt. Der Balgschirm 12 schützt auch einen inneren Endbereich des Balgs 11 gegen Abscheiden des Metalldampfes.
• Eine Spule 13 von im wesentlichen einer Windung umgibt die stationäre und die bewegliche Elektrode 2 und 3 außerhalb des zylindrischen Abschnitts des Metallzylinders 7. Die Spule 13 erzeugt ein axialmagnetisches Feld, das parallel zu dem Lichtbogenstromweg zwischen den getrennten stationären und bewegbaren Elektroden 2 bzw. 3 verläuft, um den Bogen gleichmäßig über die einander gegenüberliegenden Flächen der Elektroden zu verteilen und dadurch das Stromunterbrechungs- Verhalten des Schalters zu verbessern. Ein Ende 13a der Spule 13 ist elektrisch mit einem äußeren Ende des stationären Zuleitungsstabes 9 verbunden. Das andere Ende 13b der Spule ist elektrisch mit einem Ende eines äußeren Zuleitungsstabes 14 verbunden, der außerhalb des Vakuummantels 1 angeordnet ist. Der äußere Zuleitungsstab 14 erstreckt sich senkrecht zu dem stationären Zuleitungsstab 9.
• Ein äußerer Zuleitungsstab 15, der außerhalb des Vakuummantels 1 angeordnet ist, erstreckt sich parallel zum äußeren Zuleitungsstab 14. Ein Ende des äußeren Zuleitungsstabes 15 besitzt einen Gleitkontakt 16, der mechanisch und elektrisch an einem äußeren Ende des bewegbaren zuleitungsstabes 10 angreift. Ein Hauptschirm 17 ist an einer inneren Zylinderfläche des Metallzylinders 7 befestigt. Das elektrische Potential des Hauptschirms 17 ist gleich dem des stationären Zuleitungsstabes 9, unterscheidet sich jedoch von dem des bewegbaren Zuleitungsstabes 10. Ein Hilfsschirm 18 ist an der Endplatte 5 befestigt.
• Beim Betrieb des vorstehend beschriebenen Schalters tritt durch eine aus dem äußeren Zuleitungsstab 14, der Spule 13, dem stationären Zuleitungsstab 9, der stationären Elektrode 2, dem Bogenstromweg zwischen der stationären Elektrode 2 und der bewegbaren Elektrode 3 dem bewegbaren Zuleitungsstab 10, dem Gleitkontakt 16 und dem äußeren Zuleitungsstab 15 und umgekehrt gebildete Folge hindurch. Deswegen sind der stationäre und der bewegbare Zuleitungsstab 9 und 10 einer sich ergebenden Elektromagnetkraft unterworfen mit einem radialen Vektor entsprechend der Linke-Hand-Regel, wenn ein Strom durch die vorstehend beschriebene Folge hindurchtritt. Die elektromagnetische Kraft stellt den bewegbaren Zuleitungsstab 10 schräg, wenn die stationäre und die bewegbare Elektrode 2 und 3 außer Kontakt miteinander sind. Diese Schrägstellungs-Versetzung reduziert den Freiraum zwischen dem bewegbaren Zuleitungsstab 10 und dem Hauptschirm 17, die auf unterschiedlichen potentialen sind, wodurch wiederum die dielektrische Festigkeit des Vakuumschalters reduziert wird. Eine Schrägstellungs-Versetzung des bewegbaren Zuleitungsstabes 10 infolge der elektromagnetischen Kraft der Spule 13 läßt die stationäre und die bewegbare Elektrode 2 bzw. 3 an den Außenumfängen der stationären und bewegbaren Elektroden 2 und 3 in Punktkontakt kommen. Damit konzentriert sich eine mechanische Auftreffkraft, die während der Schließbetätigung der stationären mit der bewegbaren Elektrode 2 bzw. 3 auftritt, an der Kontaktstelle zwischen der stationären und der bewegbaren Elektrode 2 bzw. 3. Diese Konzentration der mechanischen Auftreffkraft kann möglicherweise die stationäre und die bewegbare Elektrode 2 bzw. 3 während vieler Öffnungs- und Schließbetätigungen splittern oder brechen lassen. Damit läßt die Radialversetzung der bewegbaren Elektrode 2 vorzeitigen Verschleiß und reduzierte dielektrische Festigkeit bei dem Vakuumschalter entstehen. Weiter erhöht die längliche Form des bewegbaren Zuleitungsstabes 10 das Gesamtgewicht der zu dem bewegbaren Zuleitungsstab 10 gehörenden bewegbaren Anordnung, und die Belastung des Gewichts für den zugehörigen Betätigungsmechanismus für den bewegbaren Zuleitungsstab 10.
• Der größte Teil des während des Öffnungsbetriebs der stationären und der bewegbaren Elektrode 2 bzw. 3 erzeugte Metalldampfs verteilt sich in einem Raum hinter der bewegbaren Elektrode 3 in dem Isolierzylinder 4 statt in dem Raum hinter der stationären Elektrode 2, da der Raum hinter der bewegbaren Elektrode 3 größer als der Raum hinter der stationären Elektrode 2 ist. Deswegen lagert sich etwas von dem sich verteilenden Metalldampf an der Oberfläche des Balgs 11 während vieler (nicht weniger als 10 000-maligen) Öffnungs- und Schließbetätigungen ab, trotz der Anwesenheit des Balgschirms 12. Der an dem Balg 11 abgeschiedene Metalldampf schmilzt ein wenig von der Oberfläche des Balgs 11 an und läßt die benachbarten Ringabschnitte des Balgs 11 aneinander haften, da der Balg 11 sich während des Öffnungsbetriebs der stationären und der bewegbaren Elektrode 2 bzw. 3 zusammenzieht, wenn der Dampf gebildet wird. Das Zusammenhaften der benachbarten ringförmigen Abschnitte des Balgs läßt sie reißen und lecken, so daß das Vakuum innerhalb des Vakuummantels 1 verschlechtert wird.
• Bei dem Schalter nach dem Stand der Technik verbindet der kurze stationäre Zuleitungsstab 9 die stationäre und die bewegbare Elektrode 2 und 3 mit der Spule 13, so daß durch den Kontaktwiderstand zwischen der stationären und der bewegbaren Elektrode 2 und 3 entstehende Joule'sche Wärme nicht ausreichend durch den stationären Zuleitungsstab 9 abgeführt werden kann. Darüberhinaus wird durch die Spule 13 erzeugte Joule'sche Wärme zu der durch den Kontaktwiderstand erzeugten hinzugefügt. Damit kann die Temperatur des Vakuumschalters dazu gebracht werden, die maximale für den Vakuumschalter zulässige Temperatur (z.B. eine Temperatur eines silberplattierungs-freien Zuleitungsstabes ist 90ºC bei einer Umgebungstemperatur von 40ºC) zu überschreiten.
• Zusätzlich bildet der Vakuumschalter normalerweise einen Teil eines Stromunterbrechers, der in einem metall-verkleideten Schaltgetriebe untergebracht ist, wobei der stationäre Zuleitungsstab 9 sich in einem oberen Abschnitt des Vakuumschalters befindet. Damit umgibt die Spule 13 als ein Wärmeabstrahler den oberen Abschnitt des Vakuumschalters. Diese Anordnung sperrt die natürliche Konvektion längs der Außenlänge des Vakuummantels innerhalb der umgebenden Atmosphäre und sperrt so die Wärmeabfuhr von dem Vakuumschalter.
• US-A-3 372 258 lehrt in Verbindung mit einem Vakuumschalter des Radialmagnetfeld-Typs, den Balg, der den bewegbaren Zuleitungsstab umgibt, außerhalb des Zylindergehäuses des Schalters anzuordnen.
• US-A-3 508 021 lehrt in Verbindung mit einem Vakuumschalter des Schiebemagnetfeld-Typs, den bewegbaren Zuleitungsstab kürzer als den stationären Zuleitungsstab zu machen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Ein Ziel dieser Erfindung besteht darin, einen Vakuumschalter mit einer verbesserten dielektrischen Festigkeit zu schaffen.
• Ein anderes Ziel der Erfindung ist, einen Vakuumschalter zu schaffen, bei dem kein Punktkontakt zwischen den Elektroden auftritt.
• Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist, einen Vakuumschalter mit verbesserter Wärmeableitungsfähigkeit zu schaffen.
• Um diese und andere Ziele zu erreichen, bezieht sich die Erfindung auf einen Vakuumschalter nach Anspruch 1.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Vakuumschalter nach dem Stand der Technik;
• Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch einen Vakuumschalter nach einer ersten Ausführung dieser Erfindung;
• Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen Vakuumschalter nach einer zweiten Ausführung dieser Erfindung;
• Fig. 4 ist eine maßstäbliche Ansicht eines eingekreisten Teils IV der Fig. 3;
• Fig. 5 stellt eine Einbringung eines Vakuumschalters nach einer dritten Ausführung dieser Erfindung in einem Kreisunterbrecher vom Auszugtyp dar;
• Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch einen Vakuumschalter nach einer dritten Ausführung dieser Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
• Die bevorzugten Ausführungen dieser Erfindung werden nun mit Bezug auf Fig. 2 bis 6 beschrieben.
• Fig. 2 stellt einen Vakuumschalter nach einer ersten Ausführung dieser Erfindung dar. Dieser Vakuumschalter besitzt einen Vakuummantel 20 mit darin untergebrachter stationärer scheibenförmiger Elektrode 21 und bewegbarer scheibenförmiger Elektrode 22. Der Vakuummantel 1 umfaßt einen isolierenden Zylinder 23 aus Glas oder isolierender Keramik, eine scheibenförmige Metallendplatte 24, die hermetisch an einem Ende 23a des isolierenden Zylinders 23 über einen geschlossenen Metalldichtring 25 aus Koval (d.h. einer Fe-Ni-Co-Legierung) befestigt ist und einen Metallzylinder 26 aus nichtmagnetischem Edelstahl, z.B. einem austenitischen Edelstahl, wobei das offene Ende des Metallzylinders 26 hermetisch mit der anderen Kante 23b des isolierenden Zylinders 23 über einen geschlossenen Metalldichtring 25 verbunden ist. Das Innere des Vakuummantels 20 ist evakuiert auf einen Druck gleich oder unter 6,67 mPa. Die stationäre und die bewegbare Elektrode 21 bzw. 22 sind in dem Metallzylinder 26 angeordnet. Die stationäre Elektrode 21 und die bewegbare Elektrode 22 können innerhalb des Metallzylinders 26 in Berührung miteinander gebracht oder aus dieser Berührung entfernt werden.
• Ein innerhalb des Vakuummantels 20 angeordneter stationärer Zuleitungsstab 27 tritt hermetisch hindurch und ist an der Metallendplatte 24 befestigt. Ein inneres Ende des stationären Zuleitungsstabs 27 trägt innerhalb des Metallzylinders 26 die stationäre Elektrode 21. Andererseits tritt ein bewegbarer Zuleitungsstab 28 lose durch den ebenen Boden 26a des Metallzylinders 26 hindurch. Der bewegbare Zuleitungsstab 28 ist hermetisch mit dem Boden 26a des Metallzylinders 26 über einen Metallbalg 29 verbunden. Das innere Ende des bewegbaren Zuleitungsstabs 28 trägt innerhalb des Metallzylinders 26 die bewegbare Elektrode 22. So ist der stationäre Zuleitungsstab 27 beträchtlich länger als der bewegbare Zuleitungsstab 28. Der Balg 29 ist benachbart zur Außenseite des ebenen Bodens 26a des Metallzylinders 26 so angebracht, daß die Innenfläche des Balgs 29 dem Vakuum innerhalb des Vakuummantels 20 ausgesetzt ist.
• Eine zylindrische Spule 30 mit im wesentlichen einer Wicklung umgibt die stationäre und die bewegbare Elektrode 21 bzw. 22 außerhalb des zylindrischen Abschnitts des Metallzylinders 26. Die Spule 30 umgibt den Balg 29 über einen wesentlichen Abschnitt ihrer Länge. Die Spule 30 erzeugt ein axiales Magnetfeld parallel zu einem Bogenstromweg, der zwischen den voneinander getrennten stationären und bewegbaren Elektroden 21 bzw. 22 erzeugt wird. Ein Ende 30a der Spule 30 besitzt einen Gleitkontakt 31, der mechanisch und elektrisch an einem äußeren Ende des bewegbaren Zuleitungsstabs 28 anliegt. Das andere Ende 30b der Spule 30 ist elektrisch mit einem Ende eines äußeren Zuleitungsstabes 32 verbunden, der sich außerhalb des Vakuummantels 20 befindet. Der äußere Zuleitungsstab 32 erstreckt sich senkrecht zu dem bewegbaren Zuleitungsstab 28. Ein äußerer Zuleitungsstab 33, der außerhalb des Vakuummantels 20 angeordnet ist, erstreckt sich parallel zu dem äußeren Zuleitungsstab 32. Ein Ende des äußeren Zuleitungsstabes 33 ist elektrisch mit einem äußeren Ende des stationären Zuleitungsstabes 27 verbunden.
• Ein Hauptschirm 34 aus nichtmagnetischem Edelstahl, z.B. einem austenitischen Edelstahl ist an einer inneren Zylinderfläche des Zylinders 26 hinter der stationären Elektrode 21 befestigt. Das elektrische Potential des Hauptschirms 34 unterscheidet sich von dem des stationären Zuleitungsstabes 27 und der stationären Elektrode 21. Das elektriche Potential des Hauptschirms 34 und des Metallzylinders 26 ist gleich dem des bewegbaren Zuleitungsstabes 28 und der bewegbaren Elektrode 22.
• Bei dem Betrieb des vorstehend beschriebenen Vakuumschalters nach einer ersten Ausführung dieser Erfindung tritt ein Strom (z.B. ein Fehlerstrom) durch eine aus dem äußeren Zuleitungsstab 33, dem stationären Zuleitungsstab 27, der stationären Elektrode 21, dem Bogenstromweg zwischen der stationären Elektrode 21 und der bewegbaren Elektrode 22, der bewegbaren Elektrode 22, dem bewegbaren Zuleitungsstab 28, dem Gleitkontakt 31, der Spule 30 und dem äußeren Zuleitungsstab 32 und umgekehrt gebildeten Folge. Deshalb werden der stationäre und der bewegbare Zuleitungsstab 27 bzw. 28 einer sich ergebenden elektromagnetischen Kraft mit einem radialen Vektor entsprechend der Linke-Hand-Regel unterworfen, wenn ein Strom durch die vor stehend beschriebene Folge hindurchtritt.
• Der stationäre Zuleitungsstab 27 ist einem großen Biegemoment unterworfen, das infolge der durch einen durch den Schalter hindurchtretenden Kreisstrom erzeugten elektromagnetischen Kraft erzeugt wird, da die Länge des sich von der Metallendplatte 27 zu der stationären Elektrode 21 erstreckenden Abschnitts größer als die eines entsprechenden Abschnitts eines üblichen stationären Zuleitungsstabs ist. Jedoch können die Raumbeziehungen zwischen dem stationären Zuleitungsstab 27 (und deshalb der stationären Elektrode 21) und den anderen umgebenden Gliedern (z.B. dem Hauptschirm 34) des Vakuumschalters innerhalb des Vakuummantels 20 nicht geändert werden, da der stationäre Zuleitungsstab 27 fest an der Metallendplatte 24 befestigt ist. So ist die Raumbeziehung zwischen dem stationären Zuleitungsstab 27 und dem Hauptschirm 34, die unterschiedliche Potentiale haben, stabil, so daß die dielektrische Festigkeit von Spalten zwischen dem stationären Zuleitungsstab 27 (und damit der stationären Elektrode 21) und den anderen umgebenden Gliedern des Vakuumschalters ungeändert bleiben.
• Andererseits ist der bewegbare Zuleitungsstab 28 einem sehr geringen Biegemoment unterworfen, erzeugt infolge der durch den Kreisstrom hervorgerufenen elektromagnetischen Kraft, da die Länge des sich von dem Gleitkontakt 31 zu der bewegbaren Elektrode 22 erstreckenden Abschnitts geringer als die des entsprechenden Abschnitts eines üblichen bewegbaren Zuleitungsstabs ist. Deswegen ist die Tendenz der durch den Kreisstrom erzeugten Elektromagnetkraft, den bewegbaren Zuleitungsstab 28 schräg zu stellen, sehr weitgehend reduziert, wodurch weitgehend die Möglichkeit eines am Außenumfang der Elektrodeen 21 und 22 auftretenden Punktkontakts reduziert wird. Weiter kann, selbst wenn die durch den Kreisstrom erzeugte elektromagnetische Kraft eine kleine Neigungsversetzung des bewegbaren Zuleitungsstabs 28 erzeugen kann, diese Neigungsversetzung die dielektrische Festigkeit des Vakuumschalters nicht verschlechtern, wegen der gleichen Potentiale beim bewegbaren Zuleitungsstab 28 (und deshalb auch der bewegbaren Elektrode 22) und der umgebenden Glieder des Vakuumschalters (z.B. des Metallzylinders 26).
• Zusätzlich setzt die Kürze des bewegbaren Zuleitungsstabs 28 das Gesamtgewicht der bewegbaren, mit dem bewegbaren Zuleitungsstab 28 verbundenen Anordnung und die Gewichtsbelastung des zugeordneten Betätigungsmechanismus für den bewegbaren Zuleitungsstab 28 sehr weitgehend herab.
• Der größte Teil des durch die Öffnungsbetätigung der stationären und der bewegbaren Elektrode 21 bzw. 22 erzeugten Metalldampfs verteilt sich in einem Raum hinter der stationären Elektrode 21 an der Seite des isolierenden Zylinders 23, statt in dem Raum hinter der bewegbaren Elektrode 22. Deswegen kann sich nur sehr wenig von dem sich verteilenden Metalldampf an der Innenfläche des Balgs 29 abscheiden und, obwohl sich etwas von dem sich verteilenden Metalldampf an der Innenfläche des Balgs abscheiden kann, können benachbarte Ringabschnitte des Balgs 29 nicht aneinander haften, weil der Balg 29 sich bei dem Öffnungsbetrieb der Elektroden 21 und 22 dehnt. Deswegen tritt keine Beschädigung des Balgs 29 infolge des Festklebens benachbarter Ringabschnitte eines großen Durchmessers des Balgs 29 auf.
• Fig. 3 stellt einen Vakuumschalter nach einer zweiten Ausführung dieser Erfindung dar. Die gleichen Bezugszeichen werden dabei auf die auch bei der ersten Ausführung dieser Erfindung bereits vorhandenen eile angewendet und eine Beschreibung dieser Teile wird nicht wiederholt. Die Teile des Vakuumschalters nach der zweiten Ausführung dieser Erfindung werden im einzelnen dann beschrieben, wenn sie sich von den Teilen der ersten Ausführung dieser Erfindung unterscheiden. Dieser Vakuumschalter besitzt einen Vakuummantel 40 und zwei scheibenförmige Elektroden 21 und 22. Der Vakuummantel 40 umfaßt einen isolierenden Zylinder 41 aus Glas oder isolierender Keramik, wobei die Kanten, welche die einander gegenüberliegenden Enden 41a und 41b des isolierenden Zylinders 41 bilden, metallisierte Schichten 42a bzw. 42b besitzen, eine Metallendplatte 24 ist hermetisch init einer metallisierten Schicht 42a des isolierenden Zylinders 41 über einen geschlossenen Dichtring 43 aus Kupfer oder Koval verlötet, und ein Metallzylinder 26 ist mit seinem offenen Ende hermetisch mit der anderen metallisierten Schicht 42b des isolierenden Zylinderes 41 über einen geschlossenen Metalldichtring 42 aus Kupfer oder Koval verlötet. Das Innere des Vakuummantels 40 ist auf einen Druck gleich oder unter 6,67 mPa evakuiert.
• Ein mit dem Vakuummantel 40 koaxial ausgerichteter stationärer Zuleitungsstab 45a tritt durch die Metallendplatte 24 hindurch und ist hermetisch an ihr befestigt. Das innere Ende des stationären Zuleitungsstabs 45 trägt die stationäre Elektrode 21 innerhalb des Metallzylinders 26. Der stationäre Zuleitungsstab 45 umfaßt einen Schaftabschnitt 45a mit kleinem Durchmesser in der Nähe seines inneren Endes, einen Schaftabschnitt 45b mit großem Durchmesser benachbart dem Schaftabschnitt 45a mit kleinem Durchmesser und einen Schaftabschnitt 45c mit zwischenliegendem Durchmesser benachbart zu dem Schaftabschnitt 45b mit großem Durchmesser. Unter der Annahme, daß eine strichpunktierte Linie 46 gemeinsam den Außenumfang der Schulter 45b zwischen dem Schaftabschnitt 45a mit kleinem Durchmesser und dem Schaftabschnitt 45b mit großem Durchmesser durchschneidet und an einem Außenumfang der vorstehend beschriebenen einen metallisierten Schicht 42a vorbeitritt, die gleiches Potential wie der stationäre Zuleitungsstab 45 hat, und der gebogenen Oberfläche 47b des Hauptschirms 47, bildet die Linie 46 einen Winkel gleich oder größer als 60º mit der einen metallisierten Schicht 42a, und bildet so eine Grenze, die die Konzentration von elektrischem Feld an der metallisierten Schicht 42a verhindert. An dem vorderen Ende des Schaftabschnitts 45a sitzt die stationäre Elektrode 21. Das hintere Ende des Schaftabschnitts 45a mit kleinem Durchmesser endet in einem Zwischenbereich innerhalb des isolierenden Zylinders 41. Der Schaftabschnitt 45c mit zwischenliegendem Durchmesser tritt durch die Metallendplatte 24 hindurch. Eine zwischen dem Schaftabschnitt 45c mit zwischenliegendem Durchmesser und dem Schaftabschnitt 45b mit großem Durchmesser ausgebildete Schulter berührt die Innenfläche der Metallendplatte 24. Der Schaftabschnitt 45c mit zwischenliegendem Durchmesser ist elektrisch mit einem Ende eines äußeren Zuleitungsstabs 33 verbunden.
• Die Anwesenheit des Schaftabschnitts 45b mit großem Durchmesser verhindert die Konzentration von elektrischem Feld an der metallisierten Schicht 42a und verbessert die mechanische Festigkeit und die thermische Ableiteigenschaft des stationären Zuleitungsstabes 45. Die Anwesenheit des Schaftabschnitts 45b mit großem Durchmesser verbessert auch die mechanischen Festigkeits-Eigenschaften der Verbindungsstellen zwischen dem stationären Zuleitungsstab und der Metallendplatte 24 und zwischen dem stationären Zuleitungsstab 45 und dem äußeren Zuleitungsstab 33.
• Ein zylindrischer Hauptschirm 47 aus nichtmagnetischem Edelstahl, d.h. einem austenitischen Edelstahl, ist gegenüber den Innenflächen des Metalldichtrings 44 und dem Ende 41b des isolierenden Zylinders 41 angeordnet. Ein Ende des Hauptschirms 47 besitzt einen sich nach außen erstreckenden Flansch 47a, der an einer unteren Kante des Metalldichtrings 44 befestigt ist. Das andere Ende des Hauptschirms 47 hat eine nach außen gekrümmte Kante 47b. Unter der Annahme, daß eine strichpunktierte Tangentiallinie 48 gemeinsam an einem Außenumfang einer Kante (einer oberen Kante in Fig. 3) der Spule 30 und an einer Außenfläche der gekrümmten Kante 47b des Hauptschirms 47 vorbeigeht, ist die metallisierte Schicht 42b an der gleichen Seite der strichpunktierten Linie 48 wie die Spule 30 und der Hauptschirm 47 angeordnet.
• Fig. 4 zeigt Einzelheiten des mit einem Kreis umgebenen Abschnitts IV der Fig. 3. Der Metalldichtring 44 befindet sich in Abstützung an der metallisierten Schicht 42b an der Kante 41b des isolierenden Zylinders 41. Der Metalldichtring 44 ist an die metallisierte Schicht 42b mittels inneren und äußeren Lötmaterials 49a bzw. 49b (hart) angelötet. Die metallisierte Schicht 42b und das innere und das äußere Lötmaterial 49a bzw. 49b sind, bezogen auf die strichpunktierte Linie 48, an der Seite des Hauptschirms 47 und der Spule 30. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist das Potential des Hauptschirms 47 gleich dem der Spule 30, wenn die stationäre und die bewegbare Elektrode 21 bzw. 22 elektrisch voneinander getrennt sind. Deswegen sind die Äquipotentiallinien 50 so in der Nähe des Hauptschirms 47 und der Spule 30 verteilt, wie in Fig. 4 gezeigt, so daß keine Konzentration des elektrischen Feldes bei der metallisierten Schicht 42b auftritt. Die Anordnung zwischen dem Hauptschirms 47, der bestehenden Spule 30 und der anderen metallisierten Schicht 42b verschlechtert die Konzentration des elektrischen Feldes an der metallisierten Schicht 42b und die Anwesenheit des Schaftabschnitts 45b mit großem Durchmesser des stationären Zuleitungsstabs 45 verhindert die Konzentration des elektrischen Feldes an der metallisierten Schicht 42a und verbessert so die dielektrische Festigkeit der Außenfläche des Vakuummantels 40.
• In der zweiten Ausführung dieser Erfindung ist der Metalldichtring 43 mit einer Messerkantendichtung an dem isolierenden Zylinder 41 befestigt. Die Verbindung zwischen dem Metalldichtring 43 und dem isolierenden Zylinder 41 ist jedoch nicht auf eine derartige Messerkantendichtung beschränkt. In diesem Fall sollte eine strichpunktierte Linie, die gemeinsam an dem Außenumfang der Schulter 45d des stationären Zuleitungsstabs 45, an der aufgebogenen Kante 47b des Hauptschirms 47 und an der eingebetteten Kante des Metalldichtrings 43 vorbeiführt, einen Winkel gleich oder mehr als z.B. 60º mit der Ebene bilden, welche die eingebettete Ringkante des Metalldichtrings 43 enthält, so daß das elektrische Feld nicht an der eingebetteten Kante des Metalldichtrings 43 konzentriert wird.
• Fig. 5 zeigt eine Installation eines Vakuumschalters nach einer dritten Ausführung dieser Erfindung in einem Kreisunterbrecher vom Ausziehtyp. Die gleichen Bezugszeichen werden für die Teile angewendet, die auch schon bei der ersten und zweiten Ausführung dieser Erfindung vorhanden sind, und die Beschreibung dieser Teile werden nicht wiederholt. Die Teile des Vakuumschalters nach der dritten Ausführung dieser Erfindung werden im einzelnen beschrieben, wenn sie sich von den Teilen der ersten bzw. zweiten Ausführung dieser Erfindung unterscheiden.
• Wie in Fig. 5 zu sehen, besitzt ein Kreisunterbrecher 60 vom Ausziehtyp, der sich in ein (nicht gezeigtes) metallbedecktes Schaltgetriebe hinein und aus diesem heraus bewegen kann, einen isolierenden Rahmen 61 mit einem U-förmigen Querschnitt. Der isolierende Rahmen 61 besitzt keine Ober- oder Unterfläche und erstreckt sich vertikal und ist an einem Hauptrahmen des Kreisunterbrechers mittels oberer und unterer Schraubenbolzen 62 befestigt. Der isolierende Rahmen 61 besitzt obere und untere Montagelaschen 63 bzw 64, die von einer Vorderwand 65 des isolierenden Rahmens 61 nach hinten abstehen.
• Ein Vakuumschalter 66 nach einer dritten Ausführung dieser Erfindung ist zwischen den oberen und unteren Befestigungslaschen 63 und 64 im isolierenden Rahmen 61 installiert. Der Abschnitt 45c mit zwischenliegendem Durchmesser des stationären Zuleitungsstabs 45 und ein flaches Ende 3a des äußeren Zuleitungsstabs 33 sind an der oberen Montagelasche 63 mittels Schraubenbolzen 67 und 68 und einem Stift 69 über eine Unterlagscheibe 70 befestigt. Der Schraubenbolzen 67 erstreckt sich koaxial zum stationären Zuleitungsstab 45, geht durch die Unterlagscheibe 70 und das flache Ende 33a des äußeren Zuleitungsstabs 33 hindurch und endet in dem Abschnitt 45c mit zwischenliegendem Durchmesser des stationären Zuleitungsstabs 45. Der Stift 49 ist exzentrisch zum stationären Zuleitungsstab 45 installiert und geht durch die Beilagscheibe 70 und das flache Ende 33a des äußeren Zuleitungsstabes 33 hindurch. Der Stift 69 endet in dem Abschnitt 45c mit zwischenliegendem Durchmesser des stationären Zuleitungsstabes 45. Die Kombination aus Schraubenbolzen 67 und Stift 69 fixiert zwangsweise die Lagebeziehung zwischen der Beilagscheibe 70, dem äußeren Zuleitungsstab 33 und dem stationären Zuleitungsstab 45. Der Bolzen 68 sichert die Beilagscheibe 70 an der oberen Montagelasche 63.
• Andererseits ist ein Metallarm 61 mit einem ringförmigen Gleitkontakt 31 über einen Schraubenbolzen 72 an der unteren Lasche 64 befestigt. Der bewegbare Zuleitungsstab tritt durch den Arm 71, den Gleitkontakt 31 und die untere Montagelasche 64 hindurch. Der Arm 71 erstreckt sich senkrecht zu dem bewegbaren Zuleitungsstab und bildet ein integrales Teil eines elektrischen Verbinders 73, das zwischen dem Gleitkontakt 31 und dem inneren Ende der Spule 30 angeordnet ist. Ein äußeres Ende der Spule 30 ist elektrisch mit dem äußeren Zuleitungsstab 32 über einen elektrischen Verbinder 74 verbunden. Der elektrische Verbinder 74 und der äußere Zuleitungsstab 32 sind durch eine Kombination aus einem Schraubbolzen 75 und einem exzentrisch angeordneten Stift 76 an dem elektrischen Verbinder 73 befestigt, der wiederum an der unteren Montagelasche 64 befestigt ist. Die elektrischen Verbinder 73 und 74 sind gegeneinander durch eine Isolierbüchse 77 isoliert, die zwischen die elektrischen Verbinder 73 und 74 eingesetzt ist. Die inneren und äußeren Enden der Spule 30 sind aneinander durch den Schraubbolzen 78 befestigt und voneinander durch eine Isolierscheibe 79 isoliert.
• Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch den Vakuumschalter nach der dritten Ausführung dieser Erfindung, der ähnlich der zweiten Ausführung der Erfindung ist. Der Vakuumschalter der dritten Ausführung besitzt einen Balgdeckel 80, der den Balg 29 umgibt.
• Erwärmte Luft steigt von der Spule 30 als Wärmeübertrager innerhalb des isolierenden Rahmens 61 durch natürliche Konvektion auf, so daß die Wärmeableitung für den Vakuumschalter bewirkt werden kann.
• Zusätzlich sind die stationäre und die bewegbare Elektrode 21 und 22 von dem Gleitkontakt 31 und dem Arm 71 durch einen Abstand entsprechend der Länge des Balgs 29 getrennt, der größer als der die stationäre und die bewegbare Elektrode 2 bzw. 3 von dem äußeren Zuleitungsstab 14 bei dem Vakuumschalter nach dem Stand der Technik nach Fig. 1 trennende Abstand ist, so daß das durch den Gleitkontakt 31 und den Arm 71 erzeugte Magnetfeld das durch einen Windungsabschnitt der Spule 30 erzeugte axiale Magnetfeld nicht schädlich beeinflussen kann. Dies verbessert die Schalteigenschaften des Vakuumschalters nach dieser Erfindung.

Claims (7)

1. Vakuumschalter mit:

- einem Vakuummantel, der einen Isolierzylinder (23, 41), sowie eine in dichter Weise mit einem Rand des Isolierzylinders (23, 41) verbundene Metallendplatte (24) und einen unten geschlossenen Metallzylinder (26) aufweist, dessen offenes Ende in dichter Weise mit dem anderen Rand des Isolierzylinders (23, 41) verbunden ist,

- einem Paar scheibenförmiger Elektroden (21, 22) mit einer stationären Elektrode (21) und einer beweglichen Elektrode (22), die innerhalb des Metallzylinders (26) einander zugewandt angeordnet sind, wobei die bewegliche Elektrode (22) bewegbar ist, um einen Kontakt mit der stationären Elektrode (21) herzustellen oder zu unterbrechen,

- einem stationären Zuleitungsstab (27, 45), der sich in dichter Weise durch die Metallendplatte (24) und den Isolierzylinder (23, 41) erstreckt und der an der Metallendplatte (24) befestigt ist, wobei der stationäre Zuleitungsstab (27, 45) ein an der stationären Elektrode (21) befestigtes inneres Ende aufweist,

- einem beweglichen Zuleitungsstab (28), der sich durch den Boden des Metallzylinders (26) erstreckt und der koaxial zu dem stationären Zuleitungsstab (27, 45) bewegbar ist, wobei der bewegliche Zuleitungsstab (28) ein an der beweglichen Elektrode (22) befestigtes inneres Ende und ein außerhalb des Vakuummantels angeordnetes äußeres Ende aufweist,

- einem Metallbalg (29) der einen Teil des beweglichen Zuleitungsstabs (28) umgibt, und der den beweglichen Zuleitungsstab (28) mit dem Boden des Metallzylinders (26) in dichter Weise und elektrisch verbindet, und

- einer im wesentlichen zylindrischen Spule (30), die außerhalb des Metallzylinders (26) und die stationären und beweglichen Elektroden (21, 22) umgebend angeordnet ist, wobei die Spule ein elektrisch mit dem beweglichen Zuleitungsstab (28) über einen an der Oberfläche des beweglichen Zuleitungsstabes (28) anliegenden Kontakt verbundenes Ende, und ein anderes elektrisch mit einem äußeren Zuleitungsorgan verbundenes Ende aufweist, wobei die Spule (30) ein axiales Magnetfeld erzeugt, das parallel zu einer zwischen den stationären und beweglichen Elektroden (21, 22) gebildete Bogenstromstrecke liegt, wenn sich die bewegliche Elektrode (22) im Abstand von der stationären Elektrode (21) befindet,

wobei

- der bewegliche Zuleitungsstab (28) kürzer als der stationäre Zuleitungsstab (27, 45) ist,

- sich der Metallbalg (29) axial im wesentlichen vollständig außerhalb des Metallzylinders (26) erstreckt, um so eine der Luft ausgesetzte Außenseite und eine dem Vakuum des Vakuummantels ausgesetzte Innenseite auf zuweisen, und

- die Spule (30) den Balg (29) über einen wesentlichen Teil seiner Länge umgibt.

2. Vakuumschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuumraum hinter der stationären Elektrode (21) größer als ein Vakuumraum hinter der beweglichen Elektrode (22) ist.

3. Vakuumschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Zuleitungsstab (27, 45) einen mit einem kleinen Durchmesser versehenen Stielabschnitt (45a), der das innere Ende einschließt, und einen mit einem größeren Durchmesser versehenen Stielabschnitt (45b) umfaßt, der sich von einen Zwischenabschnitt des Isolierzylinders (41) bis zu der Metallendplatte (24) erstreckt, wobei das Vorhandensein einer zwischen dem mit einem kleinen Durchmesser versehenen Stielabschnitt (45a) und dem mit einem großen Durchmesser versehenen Stielabschnitt (45b) gebildeten Schulter eine Konzentration des elektrischen Feldes an einen Verbindungspunkt zwischen dem Isolierzylinder (41) und der Metallendplatte (24) verhindert.

4. Vakuumschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rand des Isolierzylinders (41) mit einer metallisierten Schicht (42a, 42b) versehen ist, daß die Metallendplatte (24) mit der metallisierten Schicht (42a) auf einem Rand des Isolierzylinders (41) hartverlötet ist, daß das offene Ende des Metallzylinders (26) mit der metallisierten Schicht (42b) auf dem anderen Rand des Isolierzylinders (41) hartverlötet ist, und daß der Metallzylinder (26) ein Hauptschild (47) umfaßt, das einen Teil des stationären Zuleitungsstabes (45) umgibt und das sich in das Innere des Isolierzylinders (41) erstreckt, wobei das Hauptschild (47) innerhalb des Isolierzylinders (41) einen nach außen gebördelten Rand (47b) aufweist, und daß sich die metallisierte Schicht auf dem anderen Rand (42b) des Isolierzylinders (41) innerhalb einer Tangentialebene befindet, die entlang der Oberfläche des gebördelten Randes (47b) des Hauptschildes (47) und einem äußeren Umfang einer Randfläche der außerhalb des Isolierzylinders (41) angeordneten Spule (30) verläuft.

5. Vakuumschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Spule (30) mit einem Arm (71) verbunden ist, der elektrisch mit dem Gleitkontakt (31) verbunden ist und sich senkrecht zu dem beweglichen Zuleitungsstab erstreckt, und daß der Arm (71) von der Außenfläche des Bodens des Metallzylinders (26) mindestens in einem der Länge des Metallbalgs (29) entsprechenden Abstand beabstandet ist, wobei der Abstand verhindert, daß ein durch einen durch den Arm (71) strömenden Strom erzeugtes Magnetfeld das durch den zylindrischen Teil der Spule (30) erzeugte axiale Magnetfeld stört.

6. Vakuumschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumschalter ausgestaltet ist, um in einer aufrechten Lage in einem Schaltungsunterbrecher angeordnet zu werden, so daß sich der Isolierzylinder (41) oberhalb des Metallzylinders (26) befindet.

7. vakuumschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumschalter ausgestaltet ist, um in einer aufrechten Lage in einem Schaltungsunterbrecher angeordnet zu werden, so daß sich der Isolierzylinder (41) unterhalb des Metallzylinders (26) befindet.