EP4026152B1

EP4026152B1 - Vakuumschaltvorrichtung für eine schaltung mit haupt- und nebenstrompfad

Info

Publication number: EP4026152B1
Application number: EP20789874.3A
Authority: EP
Inventors: Martin RATKA; Holger Schumann; Stefan Hohmann; Ulf SCHÜMANN
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2020-10-02
Publication date: 2025-01-22
Anticipated expiration: 2040-10-02
Also published as: US12159763B2; US20240186087A1; EP4026152A1; DE102019216663B4; DE102019216663A1; CN114631161B; WO2021083609A1; ES3021657T3; CN114631161A

Description

Technisches Gebiet der vorliegenden Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumschaltvorrichtung, insbesondere eine Vakuumschaltröhre, und eine Schaltung mit einem Hauptstrompfad und einem dazu parallelen Nebenstrompfad, wobei in dem Nebenstrompfad eine Vakuumschaltvorrichtung angeordnet ist.
Fig. 9 zeigt eine konventionelle Vakuumschaltvorrichtung in Gestalt einer Vakuumschaltröhre. Die konventionelle Vakuumschaltvorrichtung hat einen Gehäusekörper, der ein elektrisch isolierendes Material wie zum Beispiel eine Keramikröhre aufweist, einen ortsfesten elektrischen Kontakt, der ortsfest bezüglich des Gehäusekörpers und innerhalb des Gehäusekörpers angeordnet ist, und einen beweglichen elektrischen Kontakt, der beweglich bezüglich des Gehäusekörpers und innerhalb des Gehäusekörpers derart angeordnet ist, dass er bei seiner Bewegung zu dem ortsfesten elektrischen Kontakt mit diesem einen elektrischen Kontakt herstellt und bei seiner Bewegung von dem ortsfesten elektrischen Kontakt den elektrischen Kontakt unterbricht.
Vakuumschaltröhren müssen im Betrieb anwendungsspezifischen technischen Anforderungen genügen, insbesondere auch hinsichtlich der äußeren Spannungsfestigkeit. Am axialen Ende der Keramikröhre ist herstellungsbedingt eine Metallisierungskante bzw. Lotkante vorhanden, die als eine potentielle Schwachstelle für die äußere Spannungsfestigkeit U gilt. Um der Anforderung der äußeren Spannungsfestigkeit in der Einsatzumgebung zu genügen, können unterschiedliche Designmerkmale an der Röhre (inkl. Einbausituation) oder Isoliermöglichkeiten (Gas, Öl, Silikon, etc.) verwendet werden. Zum einem kann durch eine ausreichende Dimensionierung der Keramiklänge in Luft oder durch gasförmige Isoliermedien wie SF6 (oder andere technische Gase auch mit erhöhtem Druck gegenüber der Atmosphäre) eine ausreichende Spannungsfestigkeit generiert werden. Andere konventionelle Maßnahmen umfassen ein Silikonisieren von ganzen Röhren oder ein partielles Isolieren der Metallisierungskante z.B. durch Pottband.
Eine weitere Anforderung an die Röhre ist eine ausreichende Kontaktandruckkraft zwischen dem ortsfesten elektrischen Kontakt und dem bewegbaren elektrischen Kontakt. Die stromführenden Kontakte der Vakuumschaltvorrichtung werden durch äu-ßere Kräfte geschlossen gehalten. Diese Kräfte setzen sich aus der Schließkraft durch die Druckdifferenz von innen nach außen und zusätzlichen, von außen eingeleiteten schließenden Kräften zusammen, die oft durch Federn realisiert werden (Feigen + Feder). Die Kräfte verhindern ein Abheben der Kontakte bei hohen Strömen und reduzieren den Innenwiderstand der Strombahn. Insbesondere bei Anwendungen, in denen nur kleine Ströme beherrscht werden müssen, werden aufgrund der quadratischen Abhängigkeit zum Strom nur kleine Kontaktandruckkräfte benötigt. Wenn die Eigenschließkraft der Röhre selbst relativ klein ist und zudem durch Bauteiltoleranzen schwankt, werden durch zusätzlich von außen aufgebrachten Kräften definierte Verhältnisse geschaffen. Die Erzeugung der Kontaktkräfte für Vakuumschaltröhren wird üblicherweise außerhalb der Röhre in entsprechenden Federbaugruppen verwirklicht.
Aus der GB 1 206 297 A ist eine Vakuumschaltröhre bekannt, die einen in einem Lager geführten Bewegkontakt aufweist, der mittels eines Balges bewegbar angeordnet ist.
Die US2,981,813 offenbart einen Vakuumschalter, bei dem der Bewegkontaktbolzen in einem Lager in einem Balg geführt ist.
Die EP 2479 769 A1 zeigt eine Schalteinrichtung mit einem Hauptstrompfad und einem Nebenstrompfad mit einem Vakuumschalter.
Aus der WO 90/03657 A1 ist eine Schaltung bekannt, die einen Hauptstrompfad und einen Nebenstrompfad mit einem Vakuumschalter aufweist.
Die EP 3 109 878 A1 offenbart eine Vakuumschaltröhre mit einem Lager und einer Federanordnung, die auf den Bewegkontakt wirkt.

Kurzfassung der Erfindung

Es besteht ein Bedarf an einer Vakuumschaltvorrichtung, die die vorstehend genannten Anforderungen einer ausreichenden äußeren Spannungsfestigkeit sowie einer ausreichenden Kontaktandruckkraft durch einen vereinfachten Aufbau verwirklicht, und die in einem Nebenstrompfad integriert werden kann. Dieser Bedarf kann durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erfüllt werden. Die vorliegende Erfindung ist entsprechend den abhängigen Ansprüchen weitergebildet.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung hat eine Vakuumschaltvorrichtung einen Gehäusekörper, der ein elektrisch isolierendes Material aufweist, einen ortsfesten elektrischen Kontakt, der ortsfest bezüglich des Gehäusekörpers und innerhalb des Gehäusekörpers angeordnet ist, einen beweglichen elektrischen Kontakt, der beweglich bezüglich des Gehäusekörpers und innerhalb des Gehäusekörpers derart angeordnet ist, dass er bei seiner Bewegung zu dem ortsfesten elektrischen Kontakt mit diesem einen elektrischen Kontakt herstellt und bei seiner Bewegung von dem ortsfesten elektrischen Kontakt den elektrischen Kontakt unterbricht, und ein Gleitlager, das mit dem Gehäusekörper verbunden ist und den beweglichen elektrischen Kontakt für dessen Bewegung zu und von dem ortsfesten elektrischen Kontakt gleitend stützt. Das Gleitlager weist ein elektrisch leitendes Material auf und schirmt den Gehäusekörper zumindest teilweise dielektrisch ab. Das Gleitlager weist eine Federstütze auf, an der ein Federelement gestützt ist, das den beweglichen elektrischen Kontakt in Richtung zum ortsfesten elektrischen Kontakt drückt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung übernimmt das Gleitlager eine Vielzahl von Funktionen, nämlich nicht nur die Gleitlagerung des beweglichen elektrischen Kontakts, sondern auch die Funktion der dielektrischen Absteuerung der Metallisierungskante sowie die Gegenlagerung des (zum Beispiel in einem Balgraum integrierten) Federelements für den Aufbau der Kontaktkraft. Damit sind bereits viele Funktion in der Baugruppe bestehend aus dem Gleitlager und dem Federelement integriert. Weiter weist der Gehäusekörper an einem seiner axialen Enden einen Flansch auf, der ein elektrisch leitendes Material aufweist, wobei das Gleitlager den Flansch zumindest teilweise elektrisch abschirmt. Das Gleitlager aus elektrisch leitendem Material übernimmt durch seine geometrische Gestaltung (ggf. im Zusammenspiel mit dem Flansch) zusätzlich die Funktion der dielektrischen Absteuerung der Metallisierungskante, indem das elektrische Feld im Bereich der Metallisierungskante derart homogenisiert wird, dass die dielektrische Festigkeit dort erhöht werden kann.
Auch weist das Gleitlager einen tubusförmigen Gleitabschnitt, der koaxial gleitend auf dem Schaftabschnitt des beweglichen elektrisches Kontakts aufgesetzt ist, und einen Schirmabschnitt auf, der sich von dem Gleitabschnitt radial nach au-ßen erstreckt und den Flansch des Gehäusekörpers wie auch die Lotkante zumindest teilweise elektrisch abschirmt. Damit wird ebenfalls eine besonders kompakte Bauform erzielt.
Weiter weist der Schirmabschnitt des Gleitlagers mindestens einen sich spiralförmig erstreckenden Schlitz auf.
Dadurch erhält der Schirmabschnitt eine federnde Gestaltung, welche zusätzlich der Montage und Zentrierung des Gleitlagers bezüglich einer externen Vorrichtung dient.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der bewegliche elektrische Kontakt einen Kontaktabschnitt und einen damit verbundenen axialen Schaftabschnitt auf, und das Federelement ist koaxial auf dem Schaftabschnitt aufgesetzt und zwischen der Federstütze des Gleitlagers und einer weiteren Federstütze des beweglichen elektrischen Kontakts vorgespannt. Damit wird eine besonders kompakte Bauform erzielt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Gleitlager durch einen Bajonettverschluss, einen Schnappverschluss, eine Klebeverbindung oder ein Gewinde an dem Gehäusekörper angebracht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Bajonettverschluss, der Schnappverschluss, die Klebeverbindung oder das Gewinde am Gleitabschnitt des Gleitlagers vorgesehen. Die Montage und Fixierung des Gleitlagers an/in dem Gehäusekörper werden durch das integriertes Bajonettprinzip bzw./oder durch den Schnappverschluss, eine Klebeverbindung, bzw./oder das Gewinde vereinfacht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schirmabschnitt des Gleitlagers zum Gehäusekörper hin axial geneigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schirmabschnitt an einem axialen Ende des Gleitabschnitts angeordnet. Damit werden eine kompakte Bauform und gleichzeitig eine wirksame dielektrische Absteuerung erzielt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Schirmabschnitt des Gleitlagers einen Anschlag auf, der dazu vorgesehen ist, das Gleitlager in seinem eingebauten Zustand zu zentrieren und axial abzustützen. Damit ist eine weitere Funktion im Gleitlager integriert, nämlich die Aufnahme und Zentrierung des Gleitlagers bzw./oder des Gehäusekörpers in der Vakuumschaltvorrichtung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schirmabschnitt in axialer Richtung (zum Beispiel durch den sich spiralförmig erstreckenden Schlitz) elastisch verformbar. Durch die federnde Gestaltung des Schirmabschnitts wird zum einen eine Montage in einen Hinterschnitt ermöglicht und zum anderen sichergestellt, dass der äußere Schirmabschnitt immer an der Lotkante anliegt und diese zuverlässig absteuert. Die Gegenkraft des Federelements wird über das Gleitlager an den Schirmabschnitt des Gleitlagers weitergeleitet und von dort auf einen externen Aufnahmekörper übertragen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die Vakuumschaltvorrichtung des Weiteren einen Balg, der koaxial über dem Federelement und koaxial über dem tubusförmigen Gleitabschnitt des Gleitlagers angeordnet und mit dem beweglichen elektrischen Kontakt einerseits und dem Gehäusekörper andererseits verbunden ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vakuumschaltvorrichtung eine Vakuumschaltröhre.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel steht der Schaftabschnitt des beweglichen elektrischen Kontakts axial über das Gleitlager hinaus vor und weist an seinem axialen Ende einen Kopplungsabschnitt auf, an dem ein externes Betätigungselement wie zum Beispiel eine Wippe koppelbar ist, um den beweglichen elektrischen Kontakt zu dem ortsfesten elektrischen Kontakt hin oder von diesem weg zu bewegen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Schaltung mit einem Hauptstrompfad und einem dazu parallelen Nebenstrompfad vorgesehen, wobei in dem Nebenstrompfad eine Vakuumschaltvorrichtung, wobei die eine Vakuumschaltvorrichtung eine Ausführungsform des vorstehend beschriebenen erstens Aspektes der Erfindung ist, angeordnet ist, die folgendes aufweist: einen Gehäusekörper, der ein elektrisch isolierendes Material aufweist; einen ortsfesten elektrischen Kontakt, der ortsfest bezüglich des Gehäusekörpers und innerhalb des Gehäusekörpers angeordnet ist; einen beweglichen elektrischen Kontakt, der beweglich bezüglich des Gehäusekörpers und innerhalb des Gehäusekörpers derart angeordnet ist, dass er bei seiner Bewegung zu dem ortsfesten elektrischen Kontakt mit diesem einen elektrischen Kontakt herstellt und bei seiner Bewegung von dem ortsfesten elektrischen Kontakt den elektrischen Kontakt unterbricht; und ein Federelement, das den beweglichen elektrischen Kontakt in Richtung zum ortsfesten elektrischen Kontakt drückt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die Vakuumschaltvorrichtung einen Balg, der koaxial um das Federelement herum angeordnet ist oder der durch das Federelement gebildet ist.
Vorzugsweise ist die Vakuumschaltvorrichtung eine Ausführungsform des vorstehend beschriebenen erstens Aspektes der Erfindung.
Vorzugsweise ist mindestens eines der folgenden Merkmale erfüllt: ein Hub des beweglichen elektrischen Kontakts beträgt 4 bis 20 mm, vorzugsweise 6 bis 10 mm; ein Lastausschaltstrom im Nebenstrompfad ist kleiner als 1250 A, vorzugsweise 630 A ± 30 A; eine Stromflussdauer während eines Ausschaltvorgangs der Vakuumschaltvorrichtung beträgt 1 bis 20 ms; die Schaltung wird in einem Spannungsbereich verwendet, der größer als oder gleich 1 kV ist, vorzugsweise in einem Bereich zwischen einschließlich 1 kV und 52 kV; ein Übernahmestrom bei einer Lasttrennschalter-Sicherungs-Kombination im Nebenstrompfad ist kleiner als 2500 A; eine Federkonstante des Federelements ist in einem Bereich zwischen einschließlich 1 und 15 N/mm.
Die bisher in Schaltanlagen eingesetzten konventionellen Vakuumröhren kamen immer in Leistungsschaltern im Hauptstrompfad zum Einsatz. Eine wichtige und anspruchsvolle Anforderung für Vakuumröhren in diesem konventionellen Anwendungsfall war die Tragfähigkeit von Kurzschlussströmen. Hierbei wirken verhältnismäßig sehr hohe Kräfte, welche entsprechend große und starke Federn erforderlich machen. Aufgrund der Größe der Feder hat sich eine Positionierung der Feder im Balg nicht angeboten.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Vakuumschaltvorrichtung für den Einsatz in einem Nebenstrompfad bzw. Bypass. Hier entfällt die Anforderung an die Tragfähigkeit von Kurzschlussströmen. Das verwendete Federelement dient als mechanische Unterstützung. Sie ist vergleichsweise schwach und kompakt. Daher kann das Federelement für eine Verwendung in einer Vakuumschaltröhre innerhalb eines Balgs angeordnet sein.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorstehend definierten Aspekte und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Die Erfindung wird für ihre Ausführbarkeit im Folgenden anhand der Ausführungsbeispielen näher beschrieben, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.

Fig. 1: zeigt einen Längsschnitt durch eine Vakuumschaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: zeigt eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe bestehend aus einem Gleitlager und einem Federelement gemäß dem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3: zeigt eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe bestehend aus dem Gleitlager, dem Federelement, eines beweglichen elektrischen Kontakts und einer Abschirmung gemäß dem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4: zeigt eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe bestehend aus einer Keramikröhre, einem Flansch und dem beweglichen elektrischen Kontakt;
Fig. 5: zeigt eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe bestehend aus dem Flansch, dem beweglichen elektrischen Kontakt und dem Gleitlager;
Fig. 6: zeigt einen perspektivischen Längsschnitt durch die Vakuumschaltvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7: zeigt einen Längsschnitt durch die Vakuumschaltvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8: zeigt ein Ersatzschaltbild einer Schaltung mit einem Hauptstrompfad und einem dazu parallelen Nebenstrompfad, wobei in dem Nebenstrompfad eine Vakuumschaltvorrichtung angeordnet ist; und
Fig. 9: zeigt eine konventionelle Vakuumschaltvorrichtung.

Figurenbeschreibung

Die Zeichnungen sind schematisch dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass in verschiedenen Figuren ähnliche oder identische Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Vakuumschaltvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vakuumschaltvorrichtung 1 ist eine Vakuumschaltröhre und hat einen zylindrischen Gehäusekörper 2, der ein elektrisch isolierendes Material aufweist bzw. aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist. Das elektrisch isolierende Material kann eine Keramik sein. Das elektrisch isolierende Material kann durch eine Röhre gebildet sein, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere durch eine zylindrische Keramikröhre 19. Innerhalb des Gehäusekörpers 2 sind ein ortsfester elektrischer Kontakt 3, der ortsfest bezüglich des Gehäusekörpers 2 angeordnet ist, und ein beweglicher elektrischer Kontakt 4 angeordnet, der beweglich bezüglich des Gehäusekörpers 2 so angeordnet ist, dass er bei seiner Bewegung zu dem ortsfesten elektrischen Kontakt 3 mit diesem einen elektrischen Kontakt herstellt und bei seiner Bewegung von dem ortsfesten elektrischen Kontakt 3 den elektrischen Kontakt unterbricht.
Die Vakuumschaltvorrichtung 1 hat ferner ein Gleitlager 5, das mit dem Gehäusekörper 2 verbunden ist und den beweglichen elektrischen Kontakt 4 für dessen Bewegung zu und von dem ortsfesten elektrischen Kontakt 3 gleitend stützt. Das Gleitlager 5 weist ein elektrisch leitendes Material auf bzw. es ist aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet, und es schirmt den Gehäusekörper 2 zumindest teilweise elektrisch ab. An dem Gleitlager 5 ist eine Federstütze 6 vorgesehen, an der ein Federelement 7 in Gestalt einer Druckfeder gestützt ist, die den beweglichen elektrischen Kontakt 4 in Richtung zum ortsfesten elektrischen Kontakt 3 drückt. Das Federelement 7 ist koaxial auf dem Schaftabschnitt 10 aufgesetzt und zwischen der Federstütze 6 des Gleitlagers 5 und einer weiteren Federstütze 11 des beweglichen elektrischen Kontakts 4 vorgespannt.
Der bewegliche elektrische Kontakt 4 hat einen Kontaktabschnitt 9 und einen damit verbundenen axialen Schaftabschnitt 10.
Der Gehäusekörper 2 hat an einem seiner axialen Enden (am rechten Ende in der Fig. 1) einen Flansch 8, der ein elektrisch leitendes Material aufweist bzw. der aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet ist, wobei das Gleitlager 5 den Flansch 8 zumindest teilweise elektrisch abschirmt. Der Gehäusekörper 2 hat des Weiteren an seinem anderen axialen Ende (am linken Ende in der Fig. 1) einen weiteren Flansch 18, der ein elektrisch leitendes Material aufweist bzw. der aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Gehäusekörper 2 demnach durch die zylindrische Keramikröhre 19, den Flansch 8 und den weiteren Flansch 18 gebildet.
Der Schaftabschnitt 10 des beweglichen elektrischen Kontakts 4 steht axial über das Gleitlager 5 hinaus vor und weist an seinem axialen Ende einen Kopplungsabschnitt 16 auf, an dem ein externes Betätigungselement wie zum Beispiel eine Wippe koppelbar ist, um den beweglichen elektrischen Kontakt 4 zu dem ortsfesten elektrischen Kontakt 3 hin oder von diesem weg zu bewegen.
Das Gleitlager 5 hat einen tubusförmigen Gleitabschnitt 12, der koaxial gleitend auf dem Schaftabschnitt 10 des beweglichen elektrisches Kontakts 4 aufgesetzt ist, und einen Schirmabschnitt 13, der sich von dem Gleitabschnitt 12 radial nach außen erstreckt und den Flansch 8 des Gehäusekörpers 2 zumindest teilweise elektrisch abschirmt.
In der Schnittstelle zwischen der Keramikröhre 19 und dem Flansch 8 ist eine Lotkante bzw. eine Metallisierungskante des Gehäusekörper 2 vorhanden, die üblicherweise als eine Schwachstelle bezüglich der dielektrischen Festigkeit bzw. der äußeren Durchschlagsfestigkeit gilt. Das Gleitlager 5 und insbesondere dessen Schirmabschnitt 5 sorgen bei der vorliegenden Erfindung jedoch für eine dielektrische Absteuerung bzw. für eine Glättung des elektrischen Feldes im Bereich der Metallisierungskante, so dass die dielektrische Festigkeit dort signifikant verbessert werden kann.
Die Vakuumschaltvorrichtung 1 hat des Weiteren einen Balg 15, der koaxial über dem Federelement 7 und koaxial über dem tubusförmigen Gleitabschnitt 12 des Gleitlagers 5 angeordnet und mit dem beweglichen elektrischen Kontakt 4 einerseits und dem Gehäusekörper 2 (d.h. dem Flansch 8) andererseits verbunden ist. Damit wird eine besonders kompakte Bauform erzielt. Der Balg 15 ist durch eine am beweglichen elektrischen Kontakt 4 angeordnete, topfförmige Abschirmung 17 geschützt.
Das Federelement 7 muss nicht notwendigerweise als separate Druckfeder ausgeführt sein. In einer Ausführungsform kann der Balg 15 zusätzlich die Funktion und Eigenschaft des Federelements 7 übernehmen. In einer anderen Ausführungsform können das Federelement 7 und das Gleitlager 5 einstückig ausgebildet sein, wobei die Federstütze 6 beispielsweise durch eine stoff-, form- oder kraftschlüssige Kopplung zwischen dem Federelement 7 und dem Gleitlager 5 verwirklicht werden kann.
Der Schirmabschnitt 13 des Gleitlagers 5 ist an einem axialen Ende des Gleitabschnitts 12 angeordnet, und er ist zum Gehäusekörper 2 hin axial geneigt. In dem Schirmabschnitt 13 des Gleitlagers 5 ist eine Mehrzahl von sich spiralförmig erstreckenden Schlitzen 14 ausgebildet, so dass der Schirmabschnitt 13 in axialer und radialer Richtung elastisch verformbar ist.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe bestehend aus dem Gleitlager 5 und dem Federelement 7 gemäß dem Ausführungsbeispiel. Fig. 2 zeigt insbesondere die Federstütze 6 für das Federelement 7, den Gleitabschnitt 12, den Schirmabschnitt 13 und die Mehrzahl der Schlitze 14 im Schirmabschnitt 13 des Gleitlagers 5. Die Fig. 2 zeigt außerdem einen Bajonettverschluss 20, durch den das Gleitlager 5 an dem Gehäusekörper 2 angebracht ist. Der Bajonettverschluss 20 ist an einer äußeren Mantelfläche des Gleitabschnitts 12 ausgebildet und gelangt mit einer komplementär ausgebildeten Innenkontur des Flansches 8 in Eingriff. Dabei wird der Gleitabschnitt 12 des Gleitlagers 5 in eine zentrale Durchgangsöffnung im Flansch 8 eingeführt, und durch eine Drehung des Gleitlagers 5 gelangt der Bajonettverschluss 20 in Eingriff bzw. schließt der Bajonettverschluss 20.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe bestehend aus dem Gleitlager 5, dem Federelement 7, des beweglichen elektrischen Kontakts 4, der den Kontaktabschnitt 9 und den Schaftabschnitt 10 aufweist, und der Abschirmung 17 gemäß dem Ausführungsbeispiel. Die Schlitze 14 im Schirmabschnitt 13 des Gleitlagers 5 sind ebenso gezeigt.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe bestehend aus der Keramikröhre 19, dem Flansch 8 und dem beweglichen elektrischen Kontakt 4. Der Schaftabschnitt 10 des beweglichen elektrischen Kontakts 4 steht axial über das sich hinter dem Flansch 8 befindlichen Gleitlager 5 (nicht in der Fig. 4 gezeigt) hinaus vor und weist an seinem axialen Ende den Kopplungsabschnitt 16 auf, an dem das externe Betätigungselement wie zum Beispiel die Wippe koppelbar ist, um den beweglichen elektrischen Kontakt 4 zu dem ortsfesten elektrischen Kontakt 3 hin oder von diesem weg zu bewegen.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe bestehend aus dem sich hinter dem Gleitlager 5 befindlichen Flansch 8, dem beweglichen elektrischen Kontakt 4 und dem Gleitlager 5. Die Fig. 5 zeigt im Vergleich mit der Fig. 4 den Zustand, bei dem das Gleitlager 5 über dem Flansch 8 angeordnet ist.
Figuren 6 und 7 zeigen jeweils perspektivische Längsschnitte durch die Vakuumschaltvorrichtung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die verschiedenen Komponenten und Funktionen des Gleitlagers 5 sind nochmals angegeben. Das Bezugszeichen A bezeichnet die Lagerfunktion für die Gleitlagerung des beweglichen elektrischen Kontakts 4 durch den Gleitabschnitt 12 des Gleitlagers 5. Das Bezugszeichen B bezeichnet die Funktion des Gleitlagers 5 zur dielektrischen Absteuerung bzw. zur Glättung des elektrischen Felds mittels des Schirmabschnitts 13, der die Metallisierungskante oder Lotkante des Gehäusekörpers 2 abschirmt.
Das Bezugszeichen C bezeichnet die vorstehend bereits angesprochene Funktion zum Zentrieren des Gleitlagers 5. Die Zentrierung wird durch einen Anschlag 22 bewirkt. Der Anschlag 22 ist durch eine erhabene, ringförmige Kontur des Schirmabschnitts 13 gebildet und greift in eine komplementäre Ausnehmung eines externen Aufnahmekörpers 21 entsprechend dem Feder-Nut-Prinzip ein.
In der Fig. 7 sind des Weiteren Kraftflüsse dargestellt. Der mit dem Bezugszeichen D bezeichnete Pfeil zeigt den Kraftfluss der Federkraft des Federelements 7 zwischen dem Anschlag 22 und der am beweglichen elektrischen Kontakt 4 ausgebildeten weiteren Federstütze 11. Der mit dem Bezugszeichen E bezeichnete Pfeil zeigt den Kraftfluss einer Kraft zwischen dem Flansch 8 und dem Kontaktabschnitt 9. Diese Kraft setzt sich aus einer durch den Balg 15 aufgebrachten Balgkraft und einer von außen aufgebrachten Gasdruckdifferenzkraft zusammen.
Fig. 8 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Schaltung 100 mit einem Hauptstrompfad 30 und einem dazu parallelen Nebenstrompfad 40, wobei in dem Nebenstrompfad 40 eine Vakuumschaltvorrichtung 1 angeordnet ist. Der Hauptstrompfad 30 und der Nebenstrompfad 40 haben jeweils an einem Ende einen gemeinsamen Knotenpunkt P, der mit einer ersten Leitung 60 verbunden ist. Die jeweils anderen Enden des Hauptstrompfads 30 und des Nebenstrompfads 40 sind über eine Schaltvorrichtung 50 wahlweise mit einer zweiten Leitung 70 verbindbar.
Vorzugsweise aber nicht notwendigerweise kann die in der Fig. 1 gezeigte Vakuumschaltvorrichtung 1 in dem Nebenstrompfad angeordnet sein. Eine solche Vakuumschaltvorrichtung 1 hat einen Gehäusekörper 2, der ein elektrisch isolierendes Material aufweist, einen ortsfesten elektrischen Kontakt 3, der ortsfest bezüglich des Gehäusekörpers 2 und innerhalb des Gehäusekörpers 2 angeordnet ist, einen beweglichen elektrischen Kontakt 4, der beweglich bezüglich des Gehäusekörpers 2 und innerhalb des Gehäusekörpers 2 derart angeordnet ist, dass er bei seiner Bewegung zu dem ortsfesten elektrischen Kontakt 3 mit diesem einen elektrischen Kontakt herstellt und bei seiner Bewegung von dem ortsfesten elektrischen Kontakt 3 den elektrischen Kontakt unterbricht, und ein Federelement 7, das den beweglichen elektrischen Kontakt 4 in Richtung zum ortsfesten elektrischen Kontakt 3 drückt.
Das Federelement 7 ist vorzugsweise als Druckfeder ausgeführt. Die Vakuumschaltvorrichtung 1 kann einen Balg 15 aufweisen, der koaxial um das Federelement 7 herum angeordnet ist. Alternativ kann der Balg durch das Federelement 7 selbst gebildet sein.
Vorzugsweise ist mindestens eines der folgenden Merkmale erfüllt: ein Hub des beweglichen elektrischen Kontakts 4 beträgt 4 bis 20 mm, vorzugsweise 6 bis 10 mm; ein Lastausschaltstrom im Nebenstrompfad 40 ist kleiner als 1250 A, vorzugsweise 630 A ± 30 A; eine Stromflussdauer während eines Ausschaltvorgangs der Vakuumschaltvorrichtung 1 beträgt 1 bis 20 ms; die Schaltung 100 wird in einem Spannungsbereich verwendet, der größer als oder gleich 1 kV ist, vorzugsweise in einem Bereich zwischen einschließlich 1 kV und 52 kV; eine Federkonstante des Federelements ist in einem Bereich zwischen einschließlich 1 und 15 N/mm; ein Übernahmestrom bei einer Lasttrennschalter-Sicherungs-Kombination im Nebenstrompfad 40 ist kleiner als 2500 A. Bei der Lasttrennschalter-Sicherungs-Kombination kann eine Sicherung (nicht gezeigt) wie zum Beispiel eine Schmelzsicherung in Reihe mit der Vakuumschaltvorrichtung 1 in der zweiten Leitung 70 angeordnet sein. Die Sicherung kann am Ausgang der Vakuumschaltvorrichtung 1 angeordnet sein. Die Sicherung wiederum kann zum Beispiel mit einem Transformator verbunden sein, der am Ausgang der zweiten Leitung 70 angeschlossen ist.
Es ist zu beachten, dass der Begriff "aufweisen" andere Elemente oder Schritte nicht ausschließt. Auch Elemente, die in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben werden, können kombiniert werden. Es sei auch darauf hingewiesen, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Ansprüche widerspiegeln.

Bezugszeichenliste

1: Vakuumschaltvorrichtung
2: Gehäusekörper
3: ortsfester elektrischer Kontakt
4: beweglicher elektrischer Kontakt
5: Gleitlager
6: Federstütze
7: Federelement
8: Flansch
9: Kontaktabschnitt
10: Schaftabschnitt
11: weitere Federstütze
12: Gleitabschnitt
13: Schirmabschnitt
14: Schlitz
15: Balg
16: Kopplungsabschnitt
17: Abschirmung
18: weiterer Flansch
19: Keramikröhre
20: Bajonettverschluss
21: externer Aufnahmekörper
22: Anschlag
30: Hauptstrompfad
40: Nebenstrompfad
50: Schaltvorrichtung
60: erste Leitung
70: zweite Leitung
100: Schaltung

Claims

Vakuumschaltvorrichtung (1) mit:
einem Gehäusekörper (2), der ein elektrisch isolierendes Material aufweist;

einem ortsfesten elektrischen Kontakt (3), der ortsfest bezüglich des Gehäusekörpers (2) und innerhalb des Gehäusekörpers (2) angeordnet ist; und

einem beweglichen elektrischen Kontakt (4), der beweglich bezüglich des Gehäusekörpers (2) und innerhalb des Gehäusekörpers (2) derart angeordnet ist, dass er bei seiner Bewegung zu dem ortsfesten elektrischen Kontakt (3) mit diesem einen elektrischen Kontakt herstellt und bei seiner Bewegung von dem ortsfesten elektrischen Kontakt (3) den elektrischen Kontakt unterbricht; wobei

ein Gleitlager (5), das mit dem Gehäusekörper (2) verbunden ist und den beweglichen elektrischen Kontakt (4) für dessen Bewegung zu und von dem ortsfesten elektrischen Kontakt (3) gleitend stützt; wobei das Gleitlager (5)
ein elektrisch leitendes Material aufweist und den Gehäusekörper (2) zumindest teilweise elektrisch abschirmt; und

eine Federstütze (6) aufweist, an der ein Federelement(7) gestützt ist, das den beweglichen elektrischen Kontakt (4) in Richtung zum ortsfesten elektrischen Kontakt (3) drückt, wobei der Gehäusekörper (2) an einem seiner axialen Enden einen Flansch (8) aufweist, der ein elektrisch leitendes Material aufweist, wobei das Gleitlager (5) den Flansch (8) zumindest teilweise elektrisch abschirmt, wobei

das Gleitlager (5) einen tubusförmigen Gleitabschnitt (12), der koaxial gleitend auf dem Schaftabschnitt (10) des beweglichen elektrisches Kontakts (4) aufgesetzt ist, und einen Schirmabschnitt (13) aufweist, der sich von dem Gleitabschnitt (12) radial nach außen erstreckt und den Flansch (8) des Gehäusekörpers (2) zumindest teilweise elektrisch abschirmt und
gekennzeichnet dadurch, dass
der Schirmabschnitt (13) des Gleitlagers (5) mindestens einen sich spiralförmig erstreckenden Schlitz (14) aufweist.
Vakuumschaltvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei
der bewegliche elektrische Kontakt (4) einen Kontaktabschnitt (9) und einen damit verbundenen axialen Schaftabschnitt (10) aufweist, und

das Federelement (7) koaxial auf dem Schaftabschnitt (10) aufgesetzt ist und zwischen der Federstütze (6) des Gleitlagers (5) und einer weiteren Federstütze (11) des beweglichen elektrischen Kontakts (4) vorgespannt ist.
Vakuumschaltvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei
das Gleitlager (5) durch einen Bajonettverschluss (20), ein Schnappverschluss, eine Klebeverbindung oder ein Gewinde an dem Gehäusekörper (2) angebracht ist.
Vakuumschaltvorrichtung (1) gemäß den beiden vorherigen Ansprüchen, wobei
der Bajonettverschluss (20) oder der Schnappverschluss oder die Klebeverbindung oder das Gewinde am Gleitabschnitt (12) des Gleitlagers (5) vorgesehen ist.
Vakuumschaltvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
der Schirmabschnitt (13) des Gleitlagers (5) zum Gehäusekörper (2) hin axial geneigt ist.
Vakuumschaltvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
der Schirmabschnitt (13) an einem axialen Ende des Gleitabschnitts (12) angeordnet ist.
Vakuumschaltvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei:
der Schirmabschnitt (13) des Gleitlagers (5) einen Anschlag (22) aufweist, der dazu konfiguriert ist, das Gleitlager (5) in seinem eingebauten Zustand zu zentrieren.
Vakuumschaltvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
der Schirmabschnitt (13) in axialer Richtung elastisch verformbar ist.
Vakuumschaltvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, des Weiteren mit:
einem Balg (15), der koaxial über dem Federelement (7) und koaxial um den tubusförmigen Gleitabschnitt (12) des Gleitlagers (5) angeordnet und mit dem beweglichen elektrischen Kontakt (4) einerseits und dem Gehäusekörper (2) andererseits verbunden ist.
Vakuumschaltvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei
die Vakuumschaltvorrichtung (1) eine Vakuumschaltröhre ist.
Vakuumschaltvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei
der Schaftabschnitt (10) des beweglichen elektrischen Kontakts (4) axial über das Gleitlager (5) hinaus vorsteht und an seinem axialen Ende einen Kopplungsabschnitt (16) aufweist, an dem ein externes Betätigungselement koppelbar ist, um den beweglichen elektrischen Kontakt (4) zu dem ortsfesten elektrischen Kontakt (3) hin oder von diesem weg zu bewegen.
Schaltung (100) mit einem Hauptstrompfad (30) und einem dazu parallelen Nebenstrompfad (40), wobei in dem Nebenstrompfad (40) eine Vakuumschaltvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 angeordnet ist, die folgendes aufweist:
einen Gehäusekörper (2), der ein elektrisch isolierendes Material aufweist;

einen ortsfesten elektrischen Kontakt (3), der ortsfest bezüglich des Gehäusekörpers (2) und innerhalb des Gehäusekörpers (2) angeordnet ist;

einen beweglichen elektrischen Kontakt (4), der beweglich bezüglich des Gehäusekörpers (2) und innerhalb des Gehäusekörpers (2) derart angeordnet ist, dass er bei seiner Bewegung zu dem ortsfesten elektrischen Kontakt (3) mit diesem einen elektrischen Kontakt herstellt und bei seiner Bewegung von dem ortsfesten elektrischen Kontakt (3) den elektrischen Kontakt unterbricht; und

ein Federelement (7), das den beweglichen elektrischen Kontakt (4) in Richtung zum ortsfesten elektrischen Kontakt (3) drückt.
Schaltung (100) gemäß dem vorherigen Anspruch, des Weiteren mit:
einem Balg (15), der koaxial um das Federelement (7) herum angeordnet ist oder der durch das Federelement (7) gebildet ist.
Schaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 12 und 13, wobei mindestens eines der folgenden Merkmale erfüllt ist:
ein Hub des beweglichen elektrischen Kontakts (4) beträgt 4 bis 20 mm, vorzugsweise 6 bis 10 mm;

ein Lastausschaltstrom im Nebenstrompfad (40) ist kleiner als 1250 A, vorzugsweise 630 A ± 30 A;

eine Stromflussdauer während eines Ausschaltvorgangs der Vakuumschaltvorrichtung (1) beträgt 1 bis 20 ms;

die Schaltung (100) wird in einem Spannungsbereich verwendet, der größer als oder gleich 1 kV ist, vorzugsweise in einem Bereich zwischen einschließlich 1 kV und 52 kV;

ein Übernahmestrom bei einer Lasttrennschalter-Sicherungs-Kombination im Nebenstrompfad (40) ist kleiner als 2500 A;

eine Federkonstante des Federelements (7) ist in einem Bereich zwischen einschließlich 1 und 15 N/mm.