Schalterpol für Leistungsschalter

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalterpol für Lei­stungsschalter, der mit einer Vakuumschaltkammer ausgerü­stet ist. Sie geht von einer Anordnung aus, wo die Vakuum­schaltkammer in einem Isoliergehäuse angeordnet ist. In sel­bigen sind wenigstens zwei Steuerelektroden vorgesehen, die die Vakuumschaltkammer umfassen und die gleichzeitig an das Potential des jeweils nächstliegenden Anschlusses der Vakuum­schaltkammer angelenkt sind. Es kommt darauf an, durch Poten­tialverteilung einerseits Teilentladungen sicher zu vermeiden und die dielektrische Beanspruchung im Isolierstoff des Iso­liergehäuses in Grenzen zu halten; andererseits soll das Schaltvermögen der Schaltkammer nicht ungünstig beeinflußt werden. Die Erfindung lehrt, den Metallschirm der Vakuum­schaltkammer und/oder eine dritte Steuerelektrode durch die Gestaltung der beiden Steuerelektroden so zu beeinflussen, daß sie im geschlossenen Zustand des Schalters volles Poten­tial und im geöffneten Zustand desselben etwa halbes Poten­tial annehmen. Die Anordnung ist auch für die Fälle geeignet, wo die äußere Oberfläche des Isoliergehäuses keinen Erdbelag aufweist bzw. wo mehrere Schalterpole in einem Gefäß unterge­bracht sind, das mit einem Isoliergas, z. B. SF₆, gefüllt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Schalterpol für Leistungs­schalter, bestehend aus einer Vakuumschaltkammer und einem, diese Schaltkammer aufnehmenden Isoliergehäuse. Die Schalt­kammer besteht im wesentlichen aus einem feststehenden und einem beweglichen Kontaktstab, die beide je ein Kontakt­stück tragen sowie aus zwei Isolatoren, zwischen denen ein Metallschirm angeordnet ist. Im Isoliergehäuse sind zwei axial versetzt und die Vakuumkammer teilweise umfassende Steuerelektroden vorgesehen, die jeweils an das Potential des nächstliegenden Kontaktstabes angelenkt sind.

[0002] Es ist bekannt, in Schaltgeräten Vakuumschaltkammern ein­zusetzen, die aus einem evakuierten Gehäuse mit einem feststehenden und einem beweglichen Kontaktstück und Me­tallschirm bestehen. Das feststehende Kontaktstück ist an einem feststehenden Kontaktstab angebracht, welcher vakuum­dicht durch einen Isolator aus dem Gehäuse herausgeführt ist. Das bewegliche Kontaktstück ist dagegen an einem axial bewegbaren Kontaktstab angebracht, der durch einen Isolator und einen Metallbalgen vakuumdicht herausgeführt ist. Ferner sind auf freiem Potential liegende Metallschir­me zwischen den Isolatoren befestigt. Zwischen der Vakuum­schaltkammer und dem Isoliergehäuse befindet sich entweder Luft (DE-PS 23 22 372) oder der Zwischenraum ist mit Iso­lieröl gefüllt (JP-PS 55-5651). Wird in dem Zwischenraum zwischen Schaltkammer und Isoliergehäuse Luft vorgesehen, so sind trotz feldsteuernder Ausbildung der Anschlußkörper elektrisch hochbeanspruchte Strecken, in denen sich elek­trische Teilentladungen ausbilden können, nicht vermeid­bar. Schalter mit Öl in dem Zwischenraum sind ebenfalls bekannt; sie weisen wieder ähnliche Nachteile wie die so­genannten ölarmen Schalter auf, weil von ihnen Brandge­fahr und eine Gefährdung der Umwelt ausgeht.
Des weiteren ist es bekannt, die komplette Vakuumschalt­kammer in Epoxidharz einzugießen (JP-PS 51-16 620). Dabei ergeben sich jedoch Nachteile, weil Risse sowie Luftspalte und Lufteinschlüsse nicht sicher ausgeschlossen werden können, in denen es dann zur Ausbildung zerstörend wirken­der elektrischer Teilentladungen kommt. Den beschriebenen Vakuumschaltern haftet außerdem der Nachteil an, daß das elektrische Feld in der Vakuumschaltkammer durch geerdete Metallbeläge auf den Isoliergehäusen oder auch durch rela­tiv nahe angeordnete geerdete Bauteile gestört werden kann, wodurch sich das innere Isoliervermögen der Vakuumschalt­kammer sowie deren Ausschaltvermögen ungünstig verändert.

[0003] Weiterhin gilt es als bekannt, bei feststoffisolierten Schalterpolen zwei Steuerelektroden axial versetzt im Iso­lierstoffgehäuse anzuordnen, um elektrische Teilentladun­gen im Bereich zwischen Schaltkammer und Isoliergehäuse bzw. im Isoliergehäuse selbst durch Vermeidung von örtlich extrem hohen Feldstärken zu verhindern und geringe Abstän­de durch Verlagerung der elektrischen Beanspruchung in die Feststoffisolation zu erreichen. Diese Steuerelektroden werden an das Potential des jeweils nächstliegenden An­schlusses der Vakuumschaltkammer angelenkt. Ferner ist ge­mäß diesem Vorschlag im Bereich des Schirmes der Schalt­kammer im Isoliergehäuse eine dritte Steuerelektrode vor­gesehen. Ihre Anordnung erfolgt dabei derart, daß sie ein Zwischenpotential zwischen Anschlußpotential und Erdpoten­tial annimmt (EPa 01 76 665). Die Funktion der Steuerelek­troden können auch leitende oder halbleitende Beläge über­ nehmen, die auf Teilen des Isoliergehäuses aufgebracht sind. Durch eine solche Anordnung der Steuerelektroden wird zwar die Feldstärkeverteilung verbessert und der Isolierstoff gleichmäßiger ausgenutzt; die unzureichende Berücksichtigung des Potentials des Metallschirmes der Vakuumschaltkammer führt aber noch immer nicht zu einem optimalen Schaltvermögen und verbessert außerdem nicht in allen Schaltstellungen deren inneres Isoliervermögen. Es werden bisher nicht in ausreichendem Maße Angaben zur Höhe des Zwischenpotentials und dessen Einfluß auf die Span­nungsverteilung sowie auf das Schaltvermögen gemacht. Im Zusammenhang damit wird die unterschiedliche kapaziti­ve Beeinflussung des Zwischenpotentials durch die in der Nähe befindlichen Elektroden z. B. den geerdeten Belag auf der äußeren Oberfläche des Isoliergehäuses nicht optimal berücksichtigt. Daher gelingt es bisher nicht, das isolier­technisch günstigste Zwischenpotential zu erreichen. Die bisherigen Lösungen beachten nämlich nicht konsequent, daß sich am Metallschirm und dritter Steuerelektrode im Schaltzustand "Ein" ein anderes Zwischenpotential ein­stellt, als im Schaltzustand "Aus", wo ein Schaltkontakt auf Erdpotential liegt.
Dadurch liegen zumindest im Schaltzustand "Aus" Abschnitte vor, die elektrisch hoch belastet sind; hinreichende Anga­ben, wie diese Belastungen und die damit verbundene Teil­entladungsgefahr auf ein möglichst niedriges Maß reduziert werden können, wurden bisher nicht gemacht. Es kommt also darauf an, einen Schalterpol gemäß dem Oberbegriff des Pa­tentanspruches isoliertechnisch zu verbessern.

[0004] Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, einen Schalterpol gemäß des Oberbegriffes des Patentanspruches so weiterzubilden, daß bei beiden Schaltzuständen "Ein" und "Aus" die elektrische Feldstärke und die damit verbun­dene Gefahr von Teilentladungen in Abschnitten zwischen Isolierstoffgehäuse und Vakuumschaltkammer auf ein Mindest­maß reduziert und im Zusammenhang damit der Einfluß benach­barter Elektroden auf die Spannungsverteilung in der Va­kuumschaltkammer sowie deren Ausschaltvermögen nahezu ver­mieden werden kann.

[0005] Diese Aufgabe wird bei einem Schalterpol für Leistungs­schalter, bestehend aus einer Vakuumschaltkammer und einem, diese Schaltkammer aufnehmenden Isoliergehäuse - wobei die Schaltkammer im wesentlichen aus einem feststehenden und einem beweglichen Kontaktstab besteht, die jeweils ein Kontaktstück tragen, die in einer aus zwei Isolatoren, einem Metallbalgen und einem Metallschirm zwischen den Iso­latoren bestehenden Vakuumschaltkammer untergebracht sind, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im Isoliergehäuse zwei Steuerelektroden axial versetzt und die Vakuumschalt­kammer wenigstens teilweise umfassend vorgesehen und an das Potential des jeweils nächstliegenden Kontaktstabes ange­lenkt sind. Dabei müssen die beiden Steuerelektroden sich entweder überlappen oder soweit einander angenähert und/­oder so bemessen sein, daß der Metallschirm der Vakuum­schaltkammer ein Potential annimmt, das im Zustand getrenn­ter Kontaktstücke etwa dem halben Potential des an Spannung liegenden Kontaktstückes entspricht. Dagegen soll im Zu­stand geschlossener Kontaktstücke der Metallschirm der Va­kuumschaltkammer wenigstens annähernd volles Potential an­nehmen, hingegen der Einfluß von geerdeten oder unter Span­nung stehenden Teilen außerhalb der Steuerelektroden auf das Potential des Metallschirmes quasi eleminiert sein.

Ausführungsbeispiel

[0006] Das Erfindungskonzept wird im folgenden anhand eines Aus­führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die den Patentan­sprüchen angefügten Zeichnungen erläutert.

[0007] Es zeigen:

Fig. 1 einen vollfeststoffisolierten Schalterpol im Längs­schnitt, wo das die Vakuumschaltkammer umschließen­de Isoliergehäuse auf seiner äußeren Oberfläche ei­nen geerdeten leitenden Belag trägt;

Fig. 2 einen feststoff-gasisolierten Schalterpol im Längs­schnitt, wo das die Vakuumschaltkammer umschließen­de Isoliergehäuse keinen geerdeten Belag trägt, sich jedoch geerdete Bauteil, z. B. Kapselungs­teile der Schaltanlage in der Nähe des Schalterpols befinden.

[0008] In Fig. 1 ist ein Schalterpol gezeigt, in dem eine kom­plette Vakuumschaltkammer 1, bestehend aus einem oberen feststehenden Schaltkontaktstück 2 mit einem daran ange­brachten oberen feststehenden Kontaktstab 3, einem unte­ren beweglichen Schaltkontaktstück 4 mit einem unteren axial bewegbaren Kontaktstab 5 und einem Metallbalgen 6, angeordnet ist. Die Schaltkontaktstücke 2 und 4 mit ihren Kontaktstäben 3 und 5 befinden sich in einem luftdichten und evakuierten Gehäuse, bestehend aus einem oberen Isola­tor 7 und einem unteren Isolator 8 sowie einem auf freiem Potential liegenden Metallschirm 9.
Die Vakuumschaltkammer 1 ist in vier Isolierkörpern 10, 11, 12, 13 untergebracht, die ineinandergesteckt bzw. an­einandergefügt das Isoliergehäuse bilden. Die Isolierkör­per 10, 11, 12, 13 tragen auf Teilen ihrer Oberfläche lei­tende Beläge als Teile der Steuerelektroden 14, 15, 16. Die Steuerelektroden 14, 15 sind an einem Ende durch je einen Elektrodenring 17 abgeschlossen, während ihr ande­res Ende jeweils an einer anderen, becherförmig ausgebil­deten Steuerelektrode 18, 19 anliegt. Die Isolierkörper 10, 11, 12, 13 werden durch einen elastischen Isolierstoffring 20 über Spannelemente dielektrisch dicht miteinander ver­bunden. Die Dicke des Isolierstoffringes 20 ist so gering wie isoliertechnisch möglich bemessen; das bedeutet, daß zwischen beiden Elektrodenringen 17 die Betriebsspannung bzw. die Prüfspannung anliegen kann, was dem Aus-Zustand des Schalters entspricht.
Um den Abstand der beiden Elektrodenringe 17 so gering wie möglich ausführen zu können, kommt für den Isolierstoff­ring 20 bevorzugt Material mit großer elektrischer Festig­keit zum Einsatz. An den Elektrodenringen 17 können auch alle die Maßnahmen Anwendung finden, die in der Hochspan­nungstechnik für die Beeinflussung der Durchschlagsspannung bekannt sind. Damit gelingt es, die beiden Elektrodenringe 17 soweit aneinander anzunähern, daß nahezu jede kapazitive Kopplung der Elektroden z. B. des geerdeten Metallbelages 23 auf der äußeren Oberfläche des Schalterpols zu der auf freiem Potential befindlichen Steuerelektrode 16 unterbun­den ist. Im Schaltzustand "Ein" sind Metallschirm 9 und Steuerelektrode 16 von Elektroden auf Anschlußpotential (Schaltkontaktstück 2, 4 und Steuerelektroden 14, 15) um­geben. Als Zwischenpotential wird sich also nahezu An­schlußpotential einstellen. Dadurch ist der gesamte Gas­spalt von Elektroden auf Anschlußpotential umgeben, so daß Teilentladungen sicher vermieden werden und vorteilhaft nahezu die gesamte feldstärkemäßige Belastung in die Fest­stoffisolation verlagert ist. Im Schaltzustand "Aus" befin­den sich Schaltkontaktstück 2 und Steuerelektrode 14 auf Anschlußpotential, Schaltkontaktstück 4 und Steuerelektrode 15 dagegen auf Erdpotential. Wegen der Symmetrie der Anord­nung wird sich als Zwischenpotential etwa halbes Anschluß­potential einstellen. Zwischen Schaltkontaktstück 2 bzw. 4 und Metallschirm 9 (einschließlich zugehöriger Steuerelek­troden 14 bzw. 15 und 16) stellt sich also etwa die glei­che Potentialdifferenz ein, so daß die in einigen Abschnit­ten des Gasspaltes unvermeidliche feldstärkemäßige Bela­stung ihren niedrigst möglichen Wert erreicht. Damit ist unter Berücksichtigung beider Schaltzustände das isolier­technisch günstigste Zwischenpotential realisiert.
In Fig. 2 ist ein Schalterpol gezeigt, in dem eine komplet­ te Vakuumschaltkammer 1 mit ihren Teilen in einem Isolier­gehäuse 25 untergebracht ist, das über die Vakuumschaltkam­mer 1 geschoben ist, wobei es unerheblich ist, ob der Gas­spalt zwischen Schaltkammer 1 und Isoliergehäuse 25 nach­träglich mit aushärtendem Isolierstoff ausgegossen wird.

[0009] Abweichend von der Ausführung gemäß Fig. 1 ist auf der äus­seren Oberfläche des Isoliergehäuses 25 kein geerdeter lei­tender Belag aufgebracht, sondern es befinden sich geerdete metallische Kapselungs- oder Stützkonstruktionsteile 24 in der Nähe, gegenüber denen der Schalterpol mittels eines Isoliergases 26 isoliert ist. Die im Isoliergehäuse 25 ein­gegossenen Steuerelektroden 14 bzw. 15 sind mit dem oberen Schaltkammeranschluß 21 bzw. mit dem unteren Schaltkammer­anschluß 22 auf geeignete Weise z. B. mit Kontaktfedern verbunden. Der auf freiem Potential befindliche Metall­schirm 9 der Vakuumschaltkammer 1 ist über geeignete Kon­taktelemente mit der in das Isoliergehäuse 25 eingegossenen Steuerelektrode 16 verbunden, die auch auf freiem Potential liegt. Die an den Steuerelektroden 14 und 15 befindlichen Elektrodenringe 17 sind soweit aneinander angenähert, daß keine kapazitive Kopplung der benachbarten geerdeten metal­lischen Kapselungs- oder Stützkonstruktionsteile 24 oder anderer Elektroden mit der auf freiem Potential befindli­chen Steuerelektrode 16 vorliegt. Solche Schalterpole sind auch als dreipolige Anordnung in einer gemeinsamen Kapse­lung unterbringbar. Ferner sind derartige erfindungsgemäß ausgestaltete Schalterpole von Vakuumschaltern bevorzugt für fabrikfertige vollfeststoffisolierte Hochspannungs­schaltanlagen oder Transformatorenstationen geeignet, wo hohe Anforderungen bezüglich des Berührungsschutzes und be­züglich kleinräumiger und kompakter Bauweise bestehen. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, diesen Schalterpol in hermetisch gekapselten gasisolierten oder in metallgekap­selten luftisolierten Schaltanlagen einzusetzen.

Ansprüche

Schalterpol für Leistungsschalter, bestehend aus einer Va­kuumschaltkammer (1) und einem, diese Schaltkammer aufneh­menden Isoliergehäuse (25), wobei die Schaltkammer (1) im wesentlichen aus einem feststehenden und einem beweglichen Kontaktstab (3 und 5) besteht, die jeweils ein Kontakt­stück (2 und 4) tragen und die in einer aus zwei Isolato­ren (7 und 8), einem Metallbalgen (6) und einem Metall­schirm (9) zwischen den Isolatoren (7 und 8) bestehenden Vakuumschaltkammer (1) untergebracht sind, dadurch gekenn­zeichnet, daß im Isoliergehäuse zwei Steuerelektroden (14 und 15) axial versetzt und die Vakuumschaltkammer (1) we­nigstens teilweise umfassend vorgesehen und an das Poten­tial des jeweils nächstliegenden Kontaktstabes (3 und 5) angelenkt sind, wobei die beiden Steuerelektroden (14 und 15) sich entweder überlappen oder soweit einander ange­nähert und/oder so bemessen sind, daß der Metallschirm (9) der Vakuumschaltkammer (1) ein Potential annimmt, das im Zustand getrennter Kontaktstücke (2 und 4) etwa dem halben Potential des an Spannung liegenden Kontaktstückes (2 oder 4) entspricht, während im Zustand geschlossener Kontakt­stücke (2 und 4) der Metallschirm (9) der Vakuumschaltkam­mer (1) wenigstens annähernd volles Potential annimmt, hin­gegen der Einfluß von geerdeten oder unter Spannung stehen­den Teilen (23, 24) außerhalb der Steuerelektroden (14, 15) auf das Potential des Metallschirmes (9) quasi eleminiert ist.

Zeichnung