EP4318517A1 - Leistungsschalter umfassend zumindest eine vakuumkammer - Google Patents

Leistungsschalter umfassend zumindest eine vakuumkammer Download PDF

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EP4318517A1
EP4318517A1 EP23306271.0A EP23306271A EP4318517A1 EP 4318517 A1 EP4318517 A1 EP 4318517A1 EP 23306271 A EP23306271 A EP 23306271A EP 4318517 A1 EP4318517 A1 EP 4318517A1
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EP
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pressure
circuit breaker
counter
movable contact
breaker according
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Raimund Summer
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Schneider Electric Industries SAS
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Schneider Electric Industries SAS
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    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66207—Specific housing details, e.g. sealing, soldering or brazing
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/666—Operating arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a circuit breaker for medium or high voltage technology, comprising a vacuum chamber which has a longitudinal axis, a fixed contact and a movable contact which is acted upon by the ambient pressure of the vacuum chamber.
  • a drive mechanism is provided for moving the movable contact between an open position and a closed position.
  • a pressure difference between the inside of the vacuum chamber and its surroundings affects the dynamics of the switching process because, in addition to the driving force of the drive mechanism, it influences the acceleration of the movable contact.
  • the effect is asymmetrical, namely decelerating when opening and accelerating when closing, which affects the driving force required when opening and closing.
  • a switching arc should be extinguished successfully and quickly.
  • too little closing force can cause the contacts to weld or stick together in the event of short-circuit currents or to bounce when the end position is reached.
  • the ambient pressure of the vacuum chamber can vary, for example due to the current operating temperature, due to the electrical operating current, due to changing ambient temperature, as well as due to gas loss, for example in the event of leakage when using the circuit breaker in systems with containers, which are used to adjust the electrical voltage strength at higher or lower levels
  • Operating voltage designed and filled with a gas at higher or lower pressure can vary due to the sometimes large differences in pressure at nominal operating current or gas pressure loss difficult and this can mean that safe closing is no longer possible in the event of a loss of pressure.
  • the drive mechanism usually has a spring accumulator, which is tensioned by a motor and/or manually to open and close the movable contact.
  • the movable contact outside the vacuum chamber is connected to at least one counter-pressure element, which is a movable part of a pressure-tightly sealed expansion tank which has an internal pressure , and which is mounted in particular in a stationary manner or fixed to the housing.
  • the pressure in the gas-insulated compartment when using an insulating gas is on the order of 0.3 bar (up to 3 bar) in medium-voltage systems and around 3 bar up to 10 bar for high-voltage systems.
  • SF6 insulating gas
  • the differential pressure between the vacuum chamber and the environment means that an additional force to open the movable contact can be comparatively small at atmospheric pressure or in some systems with only low insulating gas pressure.
  • the drive mechanism or the spring accumulator could be dimensioned correspondingly larger.
  • a counter-pressure element is not provided in the area of the drive mechanism, but rather on the movable contact. This counter-pressure element relieves the movable contact in every position from the ambient pressure acting on it, for example an internal pressure P in a bulkhead space.
  • the counter-pressure element can be made comparatively small in terms of its geometric dimensions, so that the size of the circuit breaker does not increase.
  • the counter-pressure element is subjected to the ambient pressure of the vacuum chamber, which also acts on the movable contact of the vacuum chamber, but in the opposite direction of action. This creates a balanced system through which the forces acting on the movable contact and on the counter-pressure element are essentially compensated for, since these are oriented in opposite directions of action.
  • the mode of operation described above is independent of the magnitude of the ambient pressure, for example the internal pressure P inside a bulkhead, so that the circuit breaker described can be used for a wide variety of ambient pressures without the need for adaptation.
  • a change in the ambient pressure for example due to temperature fluctuations, also plays no role.
  • the counter-pressure element is part of a pressure-tightly sealed expansion tank in which there is an internal pressure p
  • the internal pressure p of the expansion tank can be selected so that it is lower than the ambient pressure, for example than the atmospheric pressure or the internal pressure P within a bulkhead.
  • the counter-pressure element can be a movable portion of the expansion tank, for example a movable plate, membrane or annular surface.
  • the counter-pressure element can be part of an expandable bellows or a vacuum bellows, or the expansion tank can have an expandable bellows or vacuum bellows. This allows the characteristics of the expansion tank to be matched very well to the characteristics of the vacuum chamber.
  • the bellows or vacuum bellows can be designed in various ways, for example as an edge-welded metal bellows. This allows a long service life with many switching cycles to be achieved in a compact design.
  • the expansion tank could also be formed by different types of metal bellows or by a vacuum bellows made of polymer material. Gas pressure springs and the like can generally also be used as expansion tanks.
  • surfaces of the counter-pressure element and the movable contact that are acted upon by the ambient pressure can be oriented parallel or orthogonal to one another.
  • deflection elements such as a rocker arm, rotary lever or the like, can be provided in the connection between the movable contact and the counter-pressure element in order to allow the force acting on the movable contact and on the counter-pressure element to act anti-parallel.
  • connection between the counter-pressure element and the movable contact can be arranged parallel or coaxial to the longitudinal axis of the vacuum chamber.
  • the counter-pressure element acts directly on the movable contact and a compact and space-saving arrangement as well as good force compensation are achieved.
  • several vacuum chambers can be provided, the movable contacts of which are connected to only a single counter-pressure element.
  • the ambient pressure of the vacuum chamber can be selected appropriately according to the dielectric strength requirements.
  • the ambient pressure can be atmospheric pressure or, when using a bulkhead, can be selected to be lower than atmospheric pressure.
  • the vacuum chamber with the associated counter-pressure element can be arranged in a gas-insulated bulkhead, the internal pressure of which is in particular greater than that of the bulkhead ambient atmospheric pressure is.
  • the internal pressure in the expansion tank is smaller than the internal pressure in the bulkhead space, in particular at least by a factor of 100.
  • a surface of the counter-pressure element which is acted upon by the internal pressure P within the bulkhead space can extend parallel to a surface of the movable contact which is acted upon by the internal pressure P in the bulkhead space. This ensures that the surfaces acted upon by the internal pressure P in the bulkhead exert forces in opposite directions on the movable contact, whereby the ratio of the forces can be adjusted by the size of these surfaces and by the internal pressure p in the expansion tank.
  • the internal pressure p in the expansion tank can be chosen to be smaller than the internal pressure P in the bulkhead space, whereby the internal pressure p in the expansion tank can at least partially compensate for a closing pressure acting on the movable contact. Good opening behavior has been achieved in arrangements in which the internal pressure p in the expansion tank essentially corresponds to the pressure in the vacuum chamber.
  • the expansion tank can be connected to a component fixed to the housing.
  • a component fixed to the housing can be, for example, a mounting bracket that forms a bearing for the expansion tank.
  • the level of the internal pressure p in the expansion tank can essentially correspond to the strength of the vacuum in the vacuum chamber.
  • a deviation can be below 10% and in particular below 5%. This achieves optimal force compensation.
  • the internal pressure p in the expansion tank can also be at least a factor of 100 smaller than the internal pressure P in a bulkhead space.
  • Fig. 1 shows, as a possible exemplary embodiment of the invention, a section of a circuit breaker, for example medium-voltage technology, which (for each phase) has a gas-insulated bulkhead space 10, in which a vacuum chamber 12 is arranged, which is only partially shown in the figures.
  • the vacuum chamber 12 has an internal pressure V and a longitudinal axis L, along which a movable contact 14 can be adjusted against a fixed contact 16 arranged in the vacuum chamber 12.
  • the closed position shown is served by a drive mechanism (not shown) with a lever 24.
  • the drive mechanism transmits the opening or closing movement to the lever 24.
  • the movable contact 14 can be adjusted along the axis L against the fixed contact 16.
  • the movable contact 14 is attached to a shaft 26, which extends coaxially to the longitudinal axis L, and which is electrically conductively connected to a flexible line 30 below the vacuum chamber 12 in order to establish a current-carrying connection.
  • a compensating container 44 is provided coaxially to the longitudinal axis L, the pressure spring 42 and the vacuum chamber 12, which is arranged below the vacuum chamber 12 and is fastened on its underside to a component fixed to the housing in the form of a horizontal bracket 47, which is at right angles to a vertical strut 45 extends in the bulkhead 10.
  • the expansion tank 44 can be designed as a vacuum bellows, as in the exemplary embodiment shown, and has an internal pressure p in its interior which corresponds, for example, to the vacuum V in the vacuum chamber 12.
  • a movable portion of the expansion tank 44 namely its upper membrane plate 50, is designed as a counter-pressure element, which is acted upon by the internal pressure P within the bulkhead space 10.
  • the counter-pressure element 50 has a (ring) surface which is acted upon by the internal pressure P within the bulkhead space 10 and which runs parallel to an annular surface of the movable contact 14 which is acted upon by the internal pressure P in the bulkhead space 10.
  • the connection between the counter-pressure element 50 of the expansion tank 44 and the movable contact 14 is provided by the shaft 26, which extends coaxially to the longitudinal axis L.
  • a bellows 46 of the expansion tank 44 is pulled apart slightly when the contacts are closed and when the movable contact 14 is opened, it contracts.
  • a lower part 48 of the expansion tank 44 is connected to the stationary bracket 47.
  • the counter-pressure element 50 arranged on the top of the expansion tank 44 is connected to the shaft 26.
  • a bellows 18 of the vacuum chamber 12 is connected at its lower end to the vacuum chamber 12, whereas the upper end of the bellows 18 is sealed to the shaft 26.
  • the internal pressure P acts on the annular surface between the shaft 26 and the bellows 18.
  • the various components of the circuit breaker are located in the in Fig. 2 position shown.
  • the lever 24 When transitioning from the open position to the closed position, the in Fig. 1 is shown, the lever 24 is from the in Fig. 2 position shown in Fig. 1 position shown moves. During the course of this movement, the expansion tank 44 is expanded slightly. After the movable contact 14 touches the fixed contact 16, the lever 24 is moved further in the direction of the fixed contact 16, so that the pressure spring 42 compresses and the in Fig. 1 shown position of the components results.
  • the lever 24 is pivoted in the opposite direction so that the movable contact 14 lifts off from the fixed contact 16.
  • the counter-pressure element 50 compensates for the force acting on the movable contact 14 due to the internal pressure P in the bulkhead space 10, since the internal pressure P in the bulkhead space 10 applies force to the counter-pressure element 50 in the opposite direction. This is particularly advantageous when the ambient pressure of the vacuum chamber, for example the pressure within the gas-insulated bulkhead, is increased compared to atmospheric pressure.
  • circuit breaker described above with its components can have a compartment with corresponding components for each phase.
  • Fig. 3 shows a further embodiment of a circuit breaker, which differs from that in Fig. 1 and 2
  • the embodiment shown differs in that at the lower end of the shaft 26 there is not a compensating container 44, but two compensating containers 44a and 44b arranged parallel next to each other are provided.
  • Both expansion tanks are attached to the bracket 47 with their respective lower parts 48a and 48b.
  • the two Expansion tanks 44a and 44b are connected via a common counter-pressure element 50, to the top of which the shaft 26 is attached.
  • Both expansion tanks 44a and 44b each have an expandable bellows 46a and 46b.
  • the pressure-tightly sealed expansion tank 44 is arranged not below the vacuum chamber 12 but next to the vacuum chamber 12 in such a way that the counter-pressure element 50 of the expansion tank 44 with its surface acted upon by the ambient pressure P of the vacuum chamber 12 is orthogonal to the surface of the movable chamber acted upon by the ambient pressure P Contact 14 is oriented.
  • the lower part 48 of the expansion tank 44 is attached to the vertical strut 45, so that the counter-pressure element 50 in the illustrated embodiment extends vertically and at right angles to the horizontal with its surface acted upon by the ambient pressure P.
  • the lower end of the shaft 26 is connected to the counter-pressure element 50 via an L-shaped rotary lever 27 with a horizontal axis of rotation, the rotary lever 27 being connected to the drive mechanism.
  • the expansion tank 44 compresses when the shaft 26 is moved downwards, since this movement is transmitted to the counter-pressure element 50 by a clockwise movement of the rotary lever 27.
  • Fig. 5 shows a schematic top view of another embodiment of a circuit breaker.
  • three vacuum chambers 12, 12' and 12" are arranged next to each other and are each provided with a bellows 18, 18' and 18".
  • Movable contacts, not shown, of the three vacuum chambers are each connected via a lever 24a, 24b and 24c to a shaft 29, which is connected to the drive mechanism.
  • the lever 24b is designed as an extended rotary lever, one end of the rotary lever 24b being connected to the movable contact of the vacuum chamber 12' and the opposite end of the rotary lever 24b being connected to the
  • Counter-pressure element of the expansion tank 44 is connected.
  • the movable contacts and levers 24a, 24b and 24c move together and a single surge tank 44 serves to compensate for the ambient pressure acting on the movable contacts of the vacuum chambers 12, 12' and 12".

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  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)

Abstract

Ein Leistungsschalter umfasst eine Vakuumkammer, in der sich ein fester Kontakt und ein beweglicher Kontakt befinden. Für eine gute Kontaktierung ist ein Ausgleichsbehälter mit einem Gegendruckelement vorgesehen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsschalter der Mittel- oder Hochspannungstechnik, umfassend eine Vakuumkammer, die eine Längsachse, einen festen und einen von dem Umgebungsdruck der Vakuumkammer beaufschlagten beweglichen Kontakt aufweist. Zum Bewegen des beweglichen Kontakts zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung ist ein Antriebsmechanismus vorgesehen. Eine Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Vakuumkammer und deren Umgebung wirkt sich auf die Dynamik des Schaltvorganges aus, da sie zusätzlich zur treibenden Kraft des Antriebsmechanismus die Beschleunigung des beweglichen Kontaktes beeinflusst. Dabei ist die Wirkung unsymmetrisch, nämlich verzögernd beim Öffnen und beschleunigend beim Schließen, was sich auf die jeweils benötigte Antriebskraft beim Öffnen und Schließen auswirkt. Beim Öffnen soll ein Schaltlichtbogen erfolgreich und schnell gelöscht werden. Beim Schließen der Kontakte wirkt kann sich eine zu geringe Schließkraft dazu führen, dass Kontakte bei Kurzschlussströmen Verschweißen oder Verkleben oder bei Erreichen der Endposition Prellen.
  • Im Betrieb kann der Umgebungsdruck der Vakuumkammer variieren, beispielsweise durch die momentane Betriebstemperatur, durch den elektrischen Betriebsstrom, durch wechselnde Umgebungstemperatur, sowie durch Gasverlust, beispielsweise bei Leckage bei Verwendung des Leistungsschalters in Anlagen mit Behältern, welche zur Anpassung der elektrischen Spannungsfestigkeit bei höherer oder geringerer Betriebsspannung mit einem Gas bei höheren oder geringeren Druck ausgelegt und befüllt wurden. Durch die teils großen Unterschiede im Druck bei nominalem Betriebsstrom oder bei Gasdruckverlust kann sich die Auslegung schwierig gestalten und dies kann dazu führen, dass ein sicheres Schließen bei Druckverlust nicht mehr möglich ist.
  • Zum Bewegen der Kontakte weist der Antriebsmechanismus üblicherweise einen Federspeicher auf, der zum Öffnen und zum Schließen des beweglichen Kontaktes motorisch und/oder manuell gespannt wird.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Leistungsschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem nahezu unabhängig vom Umgebungsdruck der Vakuumklammer eine gleichbleibende Dynamik des Schaltvorgangs sowohl beim Öffnen wie auch beim Schließen des beweglichen Kontaktes und damit ein effizientes und sicheres Öffnen und Schließen des beweglichen Kontaktes erreicht werden kann.
  • Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass bei einem Leistungsschalter der vorstehend genannten Art der bewegliche Kontakt außerhalb der Vakuumkammer mit zumindest einem Gegendruckelement verbunden ist, das ein beweglicher Bestandteil eines druckdicht verschlossenen Ausgleichsbehälters ist, der einen Innendruck aufweist, und der insbesondere ortsfest bzw. gehäusefest montiert ist.
  • Bei herkömmlichen gasisolierten Schaltanlagen liegt der Druck im gasisolierten Schottraum bei Verwendung eines Isoliergases (SF6, Stickstoff, Kohlendioxid, Luft, oder Gemische mit fluorierten Gasen) in einer Größenordnung von 0,3 bar (bis zu 3 bar) bei Mittelspannungsanlagen und von etwa 3 bar bis 10 bar bei Hochspannungsanlagen. Wenn der bewegliche Kontakt in der Vakuumkammer aus seiner Schließstellung in die Offenstellung überführt werden muss, bewirkt der Differenzdruck zwischen Vakuumkammer und Umgebung, dass eine zusätzliche Kraft zum Öffnen des beweglichen Kontaktes bei atmosphärischem Druck oder bei einigen Anlagen mit nur geringem Isoliergasdruck vergleichsweise gering sein kann.
  • Wenn jedoch in dem gasisolierten Schottraum ein Isoliergas mit geringerer dielektrischer Festigkeit eingesetzt wird, muss der Druck im gasisolierten Schottraum erhöht werden. In der Praxis führt dies zu Drücken im Gasraum von beispielsweise 3 bar, sodass sich beim Öffnen des beweglichen Kontaktes ein Differenzdruck von etwa 4 bar ergibt, was eine entsprechend höhere Öffnungskraft erfordert.
  • Um hierbei dennoch ein schnelles und ordnungsgemäßes Öffnen des beweglichen Kontaktes zu gewährleisten, könnte der Antriebsmechanismus bzw. der Federspeicher entsprechend größer dimensioniert werden. Erfindungsgemäß wird jedoch nicht im Bereich des Antriebsmechanismus, sondern an dem beweglichen Kontakt ein Gegendruckelement vorgesehen. Dieses Gegendruckelement entlastet den beweglichen Kontakt in jeder Stellung von dem auf diesen wirkenden Umgebungsdruck, beispielsweise einem Innendruck P in einem Schottraum.
  • Das Gegendruckelement kann im Hinblick auf seine geometrischen Abmessungen vergleichsweise klein dimensioniert werden, sodass sich die Baugröße des Leistungsschalters nicht erhöht.
  • Erfindungsgemäß wird das Gegendruckelement mit dem Umgebungsdruck der Vakuumkammer beaufschlagt, der auch auf den beweglichen Kontakt der Vakuumkammer wirkt, jedoch in entgegengesetzter Wirkrichtung. Hierdurch ist ein balanciertes System geschaffen, durch das die auf den beweglichen Kontakt und auf das Gegendruckelement wirkenden Kräfte im Wesentlichen kompensiert werden, da diese in entgegengesetzten Wirkrichtungen orientiert sind.
  • Die vorstehend beschriebene Wirkungsweise ist von der Größe des Umgebungsdruckes, beispielsweise des Innendrucks P im Inneren eines Schottraums, unabhängig, so dass der beschriebene Leistungsschalter für verschiedenste Umgebungsdrücke eingesetzt werden kann, ohne dass eine Adaption erforderlich ist.
  • Auch spielt eine Veränderung des Umgebungsdrucks beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen keine Rolle.
  • Da das Gegendruckelement Bestandteil eines druckdicht verschlossenen Ausgleichsbehälters ist, in dem ein Innendruck p herrscht, lässt sich der Innendruck p des Ausgleichsbehälters so wählen, dass er niedriger als der Umgebungsdruck, beispielsweise als der Atmosphärendruck oder der Innendruck P innerhalb eines Schottraums ist.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
  • Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann das Gegendruckelement ein beweglicher Teilbereich des Ausgleichsbehälters sein, beispielsweise eine bewegliche Platte, Membran oder Ringfläche.
  • Nach eine weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Gegendruckelement Bestandteil eines dehnbaren Balgs oder eines Vakuumbalgs sein, oder der Ausgleichsbehälter kann einen dehnbaren Balg oder Vakuumbalg aufweisen. Hierdurch lässt sich die Charakteristik des Ausgleichsbehälters sehr gut auf die Charakteristik der Vakuumkammer abstimmen.
  • Der Balg oder Vakuumbalg kann auf verschiedene Weise ausgestaltet sein, beispielsweise als kantengeschweißter Metallbalg. Hierdurch lässt sich eine lange Standzeit mit vielen Schaltzyklen bei kompakter Bauweise erreichen. Alternativ könnte der Ausgleichsbehälter auch durch andersartige Metallbälge oder auch durch einen Vakuumbalg aus Polymermaterial gebildet sein. Gasdruckfedern und dergleichen kommen grundsätzlich auch als Ausgleichsbehälter in Frage.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können vom Umgebungsdruck beaufschlagte Flächen des Gegendruckelements und des beweglichen Kontakts parallel oder orthogonal zueinander orientiert sein. Im Falle einer parallelen Anordnung ergibt sich eine vergleichsweise einfache Konstruktion. Für eine orthogonale Anordnung können in der Verbindung zwischen dem beweglichen Kontakt und dem Gegendruckelement Umlenkelemente, wie beispielsweise ein Kipphebel, Drehhebel oder dergleichen, vorgesehen sein, um die auf den beweglichen Kontakt und auf das Gegendruckelement wirkende Kraft antiparallel wirken zu lassen.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Verbindung zwischen dem Gegendruckelement und dem beweglichen Kontakt parallel oder auch koaxial zur Längsachse der Vakuumkammer angeordnet sein. Hierdurch wirkt das Gegendruckelement unmittelbar auf den beweglichen Kontakt und eine kompakte und platzsparende Anordnung sowie eine gute Kraftkompensation sind erreicht.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können mehrere Vakuumkammern vorgesehen sein, deren beweglichen Kontakte mit nur einem einzigen Gegendruckelement verbunden sind. Es ist jedoch auch möglich, jeden beweglichen Kontakt jeder Vakuumkammer jeweils einem Gegendruckelement zuzuordnen. Auch ist es möglich, den beweglichen Kontakt einer Vakuumkammer mit mehreren Gegendruckelementen zu verbinden.
  • Der Umgebungsdruck der Vakuumkammer kann entsprechend den Anforderungen an die Spannungsfestigkeit passend gewählt werden. So kann der Umgebungsdruck beispielsweise Atmosphärendruck sein oder auch bei Verwendung eines Schottraums niedriger als Atmosphärendruck gewählt werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Vakuumkammer mit dem zugehörigen Gegendruckelement in einem gasisolierten Schottraum angeordnet sein, dessen Innendruck insbesondere größer als der den Schottraum umgebende Atmosphärendruck ist. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, wenn der Innendruck im Ausgleichsbehälter kleiner ist als der Innendruck im Schottraum, insbesondere zumindest um den Faktor 100 kleiner.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann sich eine von dem Innendruck P innerhalb des Schottraums beaufschlagte Fläche des Gegendruckelements parallel zu einer vor dem Innendruck P im Schottraum beaufschlagten Fläche des beweglichen Kontaktes erstrecken. Hierdurch ist sichergestellt, dass die von dem Innendruck P im Schottraum beaufschlagten Flächen Kräfte in entgegengesetzten Richtungen auf den beweglichen Kontakt ausüben, wobei das Verhältnis der Kräfte durch die Größe dieser Flächen und durch den Innendruck p im Ausgleichsbehälter eingestellt werden kann.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Innendruck p im Ausgleichsbehälter kleiner als der Innendruck P im Schottraum gewählt werden, wobei der Innendruck p im Ausgleichsbehälter einen auf den beweglichen Kontakt wirkenden Schließdruck zumindest teilweise kompensieren kann. Ein gutes Öffnungsverhalten hat sich bei Anordnungen ergeben, bei denen der Innendruck p im Ausgleichsbehälter dem Druck in der Vakuumkammer im Wesentlichen entspricht.
  • Da der Innendruck P im Schottraum den beweglichen Kontakt und das Gegendruckelement in entgegengesetzten Richtungen mit Kraft beaufschlagt, ist ein balanciertes System geschaffen, bei dem die Öffnungsbewegung des beweglichen Kontakts unabhängig von der Höhe des Innendrucks P im Schottraum ist.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Ausgleichsbehälter mit einem gehäusefesten Bauteil verbunden sein. Ein solches gehäusefestes Bauteil kann beispielsweise ein Montagewinkel sein, der ein Lager für den Ausgleichsbehälter bildet.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Höhe des Innendrucks p im Ausgleichsbehälter der Stärke des Vakuums in der Vakuumkammer im Wesentlichen entsprechen. Beispielsweise kann eine Abweichung unterhalb von 10 % und insbesondere unterhalb von 5 % liegen. Hierdurch wird eine optimale Kraftkompensation erreicht. Auch kann der Innendruck p im Ausgleichsbehälter zumindest um den Faktor 100 kleiner sein als der Innendruck P in einem Schottraum.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Teils eines Leistungsschalters einer ersten Ausführungsform mit geschlossenen Kontakten;
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines Teils des Leistungsschalters von Fig. 1 mit geöffneten Kontakten;
    Fig. 3
    einen Teil eines Leistungsschalters einer weiteren Ausführungsform mit geöffneten Kontakten;
    Fig. 4
    einen Teil eines Leistungsschalters einer weiteren Ausführungsform mit geöffneten Kontakten; und
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Leistungsschalter einer weiteren Ausführungsform.
  • Fig. 1 zeigt als ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Ausschnitt aus einem Leistungsschalter, beispielsweise der Mittelspannungstechnik, der (für jede Phase) einen gasisolierten Schottraum 10 aufweist, in dem eine Vakuumkammer 12 angeordnet ist, die in den Figuren nur teilweise dargestellt ist. Die Vakuumkammer 12 weist einen Innendruck V und eine Längsachse L auf, entlang derer ein beweglicher Kontakt 14 gegen einen in der Vakuumkammer 12 angeordneten festen Kontakt 16 anstellbar ist. Zum Bewegen des beweglichen Kontaktes 14 zwischen der in Fig. 2 dargestellten Offenstellung und der in Fig. 1 dargestellten Schließstellung dient ein nicht näher dargestellter Antriebsmechanismus mit einem Hebel 24. Der Antriebsmechanismus überträgt die Öffnungs- bzw. Schließbewegung auf den Hebel 24. Hierdurch kann der bewegliche Kontakt 14 entlang der Achse L gegen den festen Kontakt 16 angestellt werden.
  • Wie die Fig. 1 und 2 verdeutlichen, ist der bewegliche Kontakt 14 auf einem Schaft 26 befestigt, der sich koaxial zur Längsachse L erstreckt, und der unterhalb der Vakuumkammer 12 elektrisch leitend fest mit einer flexiblen Leitung 30 verbunden ist, um eine stromführende Verbindung herzustellen.
  • Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, befindet sich zwischen dem Hebel 24 und der Leitung 30 auf dem Schaft 26 eine Andruckfeder 42, die dafür sorgt, dass der bewegliche Kontakt 14 in der Schließstellung (Fig. 1) stets mit einer vorbestimmten Anpresskraft gegen den festen Kontakt 16 gedrückt wird.
  • Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform koaxial zu der Längsachse L, der Andruckfeder 42 und der Vakuumkammer 12 ein unterhalb der Vakuumkammer 12 angeordneter Ausgleichsbehälter 44 vorgesehen, der an seiner Unterseite an einem gehäusefesten Bauteil in Form eines horizontalen Haltewinkels 47 befestigt ist, der sich rechtwinklig zu einer vertikalen Strebe 45 in dem Schottraum 10 erstreckt.
  • Der Ausgleichsbehälter 44 kann so wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Vakuumbalg ausgebildet sein, und weist in seinem Inneren einen Innendruck p auf, der beispielsweise dem Vakuum V in der Vakuumkammer 12 entspricht. Hierbei ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein beweglicher Teilbereich des Ausgleichsbehälters 44, nämlich dessen obere Membranplatte 50 als Gegendruckelement ausgebildet, das von dem Innendruck P innerhalb des Schottraums 10 beaufschlagt wird. Wie die Figuren verdeutlichen, weist das Gegendruckelement 50 eine von dem Innendruck P innerhalb des Schottraums 10 beaufschlagte (Ring-)Fläche auf, die parallel zu einer von dem Innendruck P im Schottraum 10 beaufschlagten Ringfläche des beweglichen Kontakts 14 verläuft. Die Verbindung zwischen dem Gegendruckelement 50 des Ausgleichsbehälters 44 und dem beweglichen Kontakt 14 ist durch den Schaft 26 gegeben, der sich koaxial zur Längsachse L erstreckt.
  • Wie ein Vergleich der Fig. 1 und Fig. 2 zeigt, wird ein Balg 46 des Ausgleichsbehälters 44 bei geschlossenen Kontakten etwas auseinandergezogen und bei Öffnen des beweglichen Kontakts 14 kontrahiert dieser. Hierbei ist ein Unterteil 48 des Ausgleichsbehälters 44 mit dem ortsfesten Haltewinkel 47 verbunden. Das an der Oberseite des Ausgleichsbehälters 44 angeordnete Gegendruckelement 50 ist mit dem Schaft 26 verbunden.
  • In ähnlicher Weise ist ein Faltenbalg 18 der Vakuumkammer 12 an seinem unteren Ende mit der Vakuumkammer 12 verbunden, wohingegen das obere Ende des Faltenbalgs 18 mit dem Schaft 26 abgedichtet verbunden ist. Hierdurch wirkt der Innendruck P auf die Ringfläche zwischen dem Schaft 26 und dem Faltenbalg 18.
  • Die Funktionsweise des vorstehend beschriebenen Leistungsschalters ist wie folgt:
  • Im ausgeschalteten Zustand, d. h. bei getrennten Kontakten, befinden sich die verschiedenen Komponenten des Leistungsschalters in der in Fig. 2 dargestellten Position. Bei Übergang von der offenen Stellung in die Schließstellung, die in Fig. 1 gezeigt ist, wird der Hebel 24 von der in Fig. 2 dargestellten Position in die in Fig. 1 dargestellte Position bewegt. Im Verlauf dieser Bewegung wird gleichzeitig der Ausgleichsbehälter 44 etwas expandiert. Nachdem der bewegliche Kontakt 14 den festen Kontakt 16 berührt, wird der Hebel 24 noch weiter in Richtung des festen Kontaktes 16 bewegt, sodass die Andruckfeder 42 komprimiert und sich die in Fig. 1 dargestellte Position der Bauteile ergibt.
  • Wenn anschließend ein Öffnen erfolgen soll, wird der Hebel 24 in Gegenrichtung verschwenkt, sodass der bewegliche Kontakt 14 von dem festen Kontakt 16 abhebt. Hierbei kompensiert das Gegendruckelement 50 die aufgrund des Innendrucks P im Schottraum 10 auf den beweglichen Kontakt 14 wirkende Kraft, da der Innendruck P im Schottraum 10 das Gegendruckelement 50 in entgegengesetzter Richtung mit Kraft beaufschlagt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Umgebungsdruck der Vakuumkammer, beispielsweise der Druck innerhalb des gasisolierten Schottraums verglichen zum Atmosphärendruck erhöht ist.
  • Es versteht sich, dass der vorstehend beschriebene Leistungsschalter mit seinen Komponenten für jede Phase einen Schottraum mit entsprechenden Komponenten aufweisen kann.
  • Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis Fig. 5 weitere Ausführungsformen eines Leistungsschalters beschrieben, wobei für gleiche Komponenten identische Bezugszeichen verwendet werden.
  • Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Leistungsschalters, die sich von der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, dass am unteren Ende des Schafts 26 nicht ein Ausgleichsbehälter 44 vorgesehen ist, sondern zwei parallel nebeneinander angeordnete Ausgleichsbehälter 44a und 44b vorgesehen sind. Beide Ausgleichsbehälter sind mit ihrem jeweiligen Unterteil 48a und 48b an dem Haltewinkel 47 befestigt. An ihrer Oberseite sind die beiden Ausgleichsbehälter 44a und 44b über ein gemeinsames Gegendruckelement 50 verbunden, an dessen Oberseite der Schaft 26 befestigt ist. Beide Ausgleichsbehälter 44a und 44b weisen jeweils einen dehnbaren Balg 46a und 46b auf.
  • Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist der druckdicht verschlossene Ausgleichsbehälter 44 nicht unterhalb der Vakuumkammer 12 sondern neben der Vakuumkammer 12 angeordnet und zwar derart, dass das Gegendruckelement 50 des Ausgleichsbehälters 44 mit seiner vom Umgebungsdruck P der Vakuumkammer 12 beaufschlagten Fläche orthogonal zu der vom Umgebungsdruck P beaufschlagten Fläche des beweglichen Kontakts 14 orientiert ist. Hierbei ist das Unterteil 48 des Ausgleichsbehälters 44 an der vertikalen Strebe 45 befestigt, so dass sich das Gegendruckelement 50 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit seiner vom Umgebungsdruck P beaufschlagten Fläche vertikal und rechtwinklig zur Horizontalen erstreckt. Um dabei die gewünschte Kompensierung der Kräfte zu erreichen, ist das untere Ende des Schaftes 26 über einen L-förmigen Drehhebel 27 mit horizontaler Drehachse mit dem Gegendruckelement 50 verbunden, wobei der Drehhebel 27 mit dem Antriebsmechanismus in Verbindung steht. Hierdurch komprimiert der Ausgleichsbehälter 44, wenn der Schaft 26 nach unten bewegt wird, da diese Bewegung durch eine Bewegung des Drehhebels 27 im Uhrzeigersinn auf das Gegendruckelement 50 übertragen wird.
  • Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Leistungsschalters. Bei dieser Ausführungsform sind drei Vakuumkammern 12, 12' und 12" nebeneinander angeordnet und mit jeweils einem Faltenbalg 18, 18' und 18" versehen. Die in Fig. 5 nicht dargestellten beweglichen Kontakte der drei Vakuumkammern sind über jeweils einen Hebel 24a, 24b und 24c mit einer Welle 29 verbunden, die mit dem Antriebsmechanismus in Verbindung stehet. Der Hebel 24b ist bei dieser Ausführungsform als verlängerter Drehhebel ausgebildet, wobei ein Ende des Drehhebels 24b mit dem beweglichen Kontakt der Vakuumkammer 12' und das entgegengesetzte Ende des Drehhebels 24b mit dem
  • Gegendruckelement des Ausgleichsbehälters 44 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform bewegen sich die beweglichen Kontakte und die Hebel 24a, 24b und 24c gemeinsam und ein einziger Ausgleichsbehälter 44 dient dazu, den auf die beweglichen Kontakte der Vakuumkammern 12, 12' und 12" wirkenden Umgebungsdruck zu kompensieren.

Claims (14)

  1. Leistungsschalter, umfassend
    zumindest eine Vakuumkammer (12, 12', 12"), die eine Längsachse (L), einen festen und einen vom Umgebungsdruck der Vakuumkammer beaufschlagten beweglichen Kontakt (14, 16) aufweist, und
    einen Antriebsmechanismus (24, 24a, 24b, 24c, 27) zum Bewegen des beweglichen Kontakts (14) zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung, wobei
    der bewegliche Kontakt (14) außerhalb der Vakuumkammer (12, 12', 12") mit zumindest einem Gegendruckelement (50) verbunden ist, das ein beweglicher Bestandteil eines druckdicht verschlossenen Ausgleichsbehälters (44, 44a, 44b) ist, der einen Innendruck (p) aufweist.
  2. Leistungsschalter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Gegendruckelement (50) ein beweglicher Teilbereich des Ausgleichsbehälters (44, 44a, 44b) ist.
  3. Leistungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ausgleichsbehälter (44, 44a, 44b) einen dehnbaren Balg (46, 46a, 46b) aufweist.
  4. Leistungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass vom Umgebungsdruck beaufschlagte Flächen des Gegendruckelementes (50) und des beweglichen Kontakts (14) parallel oder orthogonal zueinander orientiert sind.
  5. Leistungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verbindung (26) zwischen dem Gegendruckelement (50) und dem beweglichen Kontakt (14) parallel oder koaxial zur Längsachse (L) angeordnet ist.
  6. Leistungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verbindung (26) zwischen dem Gegendruckelement (50) und dem beweglichen Kontakt (14) einen Drehhebel (24b, 27) aufweist.
  7. Leistungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Vakuumkammern (12, 12', 12") vorgesehen sind, deren bewegliche Kontakte (14) mit einem einzigen Gegendruckelement (50) verbunden sind.
  8. Leistungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der bewegliche Kontakt (14) mit mehreren Gegendruckelementen (50) verbunden ist.
  9. Leistungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Vakuumkammern (12, 12', 12") vorgesehen sind, deren bewegliche Kontakte (14) mit mehreren Gegendruckelementen (50) verbunden sind.
  10. Leistungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Umgebungsdruck (P) der Vakuumkammer (12, 12', 12") und des Gegendruckelementes (50) Atmosphärendruck ist.
  11. Leistungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vakuumkammer (12, 12', 12") und das Gegendruckelement (50) in einem gasisolierten Schottraum (10) angeordnet sind, dessen Innendruck (P) insbesondere größer als der den Schottraum (10) umgebende Atmosphärendruck ist.
  12. Leistungsschalter nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Innendruck (p) im Ausgleichsbehälter (44, 44a, 44b) kleiner ist als der Innendruck (P) im Schottraum (10), insbesondere zumindest um den Faktor 100 kleiner.
  13. Leistungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Innendruck (p) im Ausgleichsbehälter (44, 44a, 44b) einen auf den beweglichen Kontakt (14) wirkenden Schließdruck (P) zumindest teilweise kompensiert.
  14. Leistungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Innendruck (p) im Ausgleichsbehälter (44, 44a, 44b) dem Druck (V) in der Vakuumkammer (12, 12', 12") im Wesentlichen entspricht.
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