Schaltkammer eines Vakuumschalters

Abstract

 Die Schaltkammer eines Vakuumschalters enthält innerhalb eines vakuumdichten Gehäuses einen beweglichen und einen ortsfesten Schaltkontakt. Bei Einschaltvorgängen wird der ortsfeste Kontakt (2) schlagartig beaufschlagt und dabei das angekoppelte Gehäuse zu mechanischen Schwingungen an­geregt. Diese führen an dem Keramikrohr (5) und an dessen Verbindungsstellen zu mehr oder minder großen Beanspruchun­gen, die sich den durch den Herstellprozeß bedingten Schrumpfspannungen überlagern.
Die Erfindung sieht zwischen Keramikrohr (5) und Kontakt­bolzen (3) einen Abschlußkörper vor, bei dem mit dem Keramik­rohr (5) ein plastisch verformbares Teil, z.B. in Form einer Platte (14) aus weichem Cu verbunden ist, und, an das sich ein elastisches Teil mit niedriger Federkonstante, z.B. in Form eines faltenbalgähnlichen Zylinders (21), anschließt, wobei letzteres an dem Kontaktbolzen (3) befestigt ist. Die Platte (14) hat eine sehr niedrige Streckgrenze und einen sehr großen plastischen Verformungsbereich und kann somit die Schrumpfspannungen weitgehend abbauen, während der Zylin­der (21) aus dünnem, hochelastischem Blech besteht und auf Grund seiner Welligkeit eine sehr geringe Federkonstante auf­weist. Die erfindungsgemäße Ausführung bewirkt somit eine nahezu völlige Entkoppelung des Gehäuses gegenüber mechani­scher Schwingungen des ortsfesten Kontakts (2). Dadurch wer­den bei Schaltvorgängen keine oder nur sehr geringfügige Be­lastungen auf das Keramikrohr (5) übertragen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltkammer eines Vakuum­schalters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Eine solche Schaltkammer ist aus der US-PS 30 82 307 be­kannt, wo insbesondere in Figur 6 eine Kammer dargestellt ist, deren ortsfester Schaltkontakt an einem rohrförmigen Kontaktbolzen befestigt ist, der über ein beidseitig je einmal gekrümmtes Zwischenteil mit einem rohrförmigen Iso­lator vakuumdicht verbunden ist. Der Zeichnung nach handelt es sich um einen Glasisolator, in den das äußere Ende des Zwischenteils eingeschmolzen ist, während das innere Ende bundartig mit der Außenseite des Kontaktbolzens vermutlich durch Lötung verbunden ist. Über die mechanischen Eigen­schaften des Zwischenteils oder über Problemstellungen im Zusammenhang mit diesem Bauteil sagt die genannte Druck­schrift nichts aus.

[0003] Die bekannte Schaltkammer ist offensichtlich für eine relativ niedrige Betriebs- und Prüfspannung vorgesehen, da die beiden Isolatoren kleine Abmessungen aufweisen, während zwischen ihnen ein metallisches Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse und die sie abschließenden Endplatten haben verhältnismäßig große Abmessungen. Der kleine Ringspalt zwischen dem Kontaktbolzen und dem Isolator hat zur Folge, daß das elastische Zwischenteil trotz seiner gekrümmten Form gegenüber mechanischen Verformun­ gen mit einer großen Federkonstanten reagiert. Die bei Einschaltvorgängen vom ortsfesten Kontakt auf das Gehäuse übertragenen Stoßvorgänge erzeugen in demselben mechanische Schwingungsvorgänge in axialer Richtung, die insbesondere in dem Isolator und dort vor allem in der Einschmelzzone des Zwischenteils zu großen Beanspruchungen führen können.

[0004] In dreiphasigen Schaltgeräten von Hochspannungsschaltern treten auf Grund der Vorzündungen bereits vor der galvani­schen Berührung der Schaltkontakte Ströme auf, die im Kurz­schlußfall große, seitlich wirkende Kräfte hervorrufen. Diese können bei großen Kurzschlußströmen zu einer seit­lichen Verschiebung der Kontaktbolzen und zu einer exzen­trischen Berührung der Kontakte führen, was gegenüber der Achse auch Kräfte in Verdrehrichtung zur Folge haben kann.

[0005] Die bekannte Schaltkammer ist nicht für derartige Belastun­gen ausgelegt, da das gekrümmte Zwischenteil an beiden Enden wie ein eingespannter Träger wirkt, also ein Einspannmoment auch auf den Isolator überträgt. Diese Beanspruchungsart stellt aber für letzteren eine besondere Gefahr dar, da sich die dynamischen Beanspruchungen zu den durch den Her­stellvorgang erzeugten Schrumpfspannungen addieren.

[0006] Die Erfindung hat sich eine Erhöhung der Dauerfestig­keit des Gehäuses der Schaltkammern von Vakuumschaltern gegenüber allen betriebsmäßig und in Störungsfällen auf­tretenden Belastungen durch Schaltvorgänge zur Aufgabe gestellt.

[0007] Die Lösung der Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merk­male des ersten Patentanspruchs angegeben.

[0008] Vorteilhafte Ausführungseinzelheiten können den Unteran­sprüchen entnommen werden.

[0009] Die Erfindung soll in erster Linie moderne Schaltkammern für Nennspannungen von 12 kV und mehr verbessern, die über­licherweise mit Keramikisolatoren ausgestattet sind.

[0010] Nach dem Erfindungsgedanken sollen dabei an den kritischen Bauteilen der Gehäuse von Schaltkammern sowohl die durch den Herstellprozeß hervorgerufenen, thermisch bedingten Schrumpfspannungen, als auch die durch die Schaltvorgänge und durch die im Kurzschlußfall auftretenden Stromkräfte erzeugten Beanspruchungen auch bei häufiger Wiederholung deutlich unterhalb der Dauerfestigkeit dieser Teile bleiben.

[0011] Die Problematik der gestellten Aufgabe läßt sich an Hand der folgenden Überlegungen darstellen:
Nach den Normen für keramische Werkstoffe DIN 40 685 Blatt 1/1974 ist für die lineare Wärmedehnungszahl bekannt:
Porzellan      4 bis 6.10⁻⁶ [

]
Hinzu kommen nach "Hütte", theoretische Grundlagen; Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin 1955 für einige Metalle:
Eisen      12,3.10⁻⁶ [

]
Kupfer      16.2.10⁻⁶ [

]
Chrom-Nickelstahl      16,5.10⁻⁶ [

]
Bei einer Löttemperatur von etwa 800 °C ergibt sich also für einen Druchmesser von D = 100 mm nach der Abkühlung folgende fiktive Durchmesserdifferenz ΔD:

[0012] Wenn man weiter annimmt, daß sich die verlöteten Werk­stoffe im gesamten Temperaturbereich elastisch verhalten, so ergäbe sich für die bisher übliche Ausbildung der Löt­verbindungen eine Schrumpfspannung σ_Schr im Keramikrohr in der Umgebung der Lötstelle, die etwa
σ_Schr = 300 bis 400



beträgt. Die tatsächlich eintretenden Werte liegen vor allem bei Kupfer wegen der plastischen Formänderung der Metalle bei höheren Temperaturen niedriger.

[0013] Auf Grund der bedeutend größeren Wärmedehnungswerte der Metalle hat der Schrumpfungsvorgang eine nach innen ge­richtete Druckbelastung für das Keramikrohr zur Folge. Die oben errechneten Werte reichen an die Druckfestigkeit der Hochleistungsporzellane heran, die mit 450 und 550 N/mm² angegeben wird.

[0014] Aus dieser Betrachtung geht hervor, daß dem Abbau der Schrumpfspannungen im Keramikrohr eine große Bedeutung zur Lösung der unserer Erfindung vorangestellten Aufgabe zu­kommt.

[0015] Zur Verminderung der durch die Schaltvorgänge und die Kurzschlußstromkräfte entstehenden Schwingungsbean­spruchungen sieht die Erfindung eine nahezu völlige "Entkopplung" der Massen des Gehäuses vom Kontakt­ bolzen des ortsfesten Kontakts und seiner Aufhängung im Schalter durch eine Minimierung der Federkonstanten des Abschlußkörpers bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl der Freiheitsgrade der Beweglichkeit des Kontaktbolzens inner­halb des Gehäuses vor. So wirken bei Einschaltungen im Kurzschlußfall im Moment der Kontaktberührung bereits be­trächtliche Kräfte auf die beiden Kontakte und ihre Kon­taktbolzen. Dadurch kann sich eine exzentrische erste Be­rührungsstelle ergeben, über die die gesamte kinetische Energie des beweglichen Kontakts übertragen wird. Diese außermittige Belastung des ortsfesten Kontaktes kann zu­sätzliche seitlich wirkende Kräfte zur Folge haben, die nicht oder nur in unschädlicher Höhe auf die kritischen Ge­häuseteile übertragen werden dürfen.Dies gilt auch für die bei Ausschaltungen auftretenden Beschleunigungen.
Eine kleine Federkonstante des Abschlußkörpers läßt sich durch eine gewölbte oder gewellte Form des Deckels oder durch die Verwendung eines faltenbalgartig geformten Teils erzielen. Durch eine derartige Gestaltung wird gegenüber ebenen Platten oder kegelstumpfförmigen Flächen nicht nur eine gravierende Reduzierung der Verstellkräfte des Ge­häuses in axialer Richtung, sondern auch eine gewisse Beweg­lichkeit in radialer sowie in Richtung einer Neigung der Achse des Kontaktbolzens zusätzlich erreicht.

[0016] Zum besseren Verständnis der Erfindung verweisen wir auf die Zeichnungen. Im einzelnen wird folgendes dargestellt:

Figur 1      Schaltkammer eines Vakuumschalters bisheriger Bauart in schematischer Darstellung.

Figur 2      Schaltkammer nach Figur 1 bei einer Einschaltung unter Kurzschlußbedin­gungen.

Figur 3      Abschlußdeckel mit balgartigem Zylinder.

Figur 4      Kombinierter Abschlußdeckel.

Figur 5      Schaltkammer mit zusätzlicher Abstützung.

[0017] Zur Darstellung der Problematik wird auf Figur 1 verwiesen.Bei einem Einschaltvorgang wird demnach die Masse m₁ des beweglichen Kontaktes 1 mit der Geschwindigkeit

mit dem ortsfesten Kontakt 2 in Berührung gebracht, der eine etwa gleichgroße Masse aufweist. Die Schaltkammer ist mit dem ortsfesten Kon­taktbolzen 3 an einem anderen Teil des Schalters, zum Bei­spiel an einem Stützisolator über eine Traverse 7 festgemacht. Die Elastizität dieses Teils ergibt zusammen mit der des Kontaktbolzens 3 eine Federkonstante C₁. Die kinetische Ener­gie des beweglichen Kontaktes 1 bewirkt bei der Kontaktbe­rührung eine elastische Auslenkung S₁ des Kontaktbolzens 3 nach der Beziehung
½ m₁

² = ½ . C₁ S

[0018] Da gleichzeitig mit der Berührung der Kontakte auch die Kontaktkraft F_k zur Wirkung kommt, addiert sich zur schwin­genden Belastung noch eine statische Auslenkung von der Größe

[0019] Die Gesamtauslenkung S₁=S

+ S

regt nun die Masse m_G des Gehäuses über die Federkonstante C₂ des Deckels 4 eben­falls zu einer elastischen Schwingung an, deren Auslenkung S₂ bei großer Frequenz

zu erheblichen Spannungen vor allem an den Verbindungsstellen Ⓐ, Ⓑ und Ⓒ führen können. Bei besonders ungünstiger Konstellation können an diesen Stellen Brüche oder Undichtigkeiten entstehen. Bei genauerer Betrachtungsweise kann man auch noch die Masse des Gehäuses unterteilen in eine solche für jedes Keramikrohr 5 und eine für das metallische Mantelrohr 6. Jedes dieser Teile stellt zusammen mit den jeweils zugehörigen Verbindungsteil z.B.dem Flansch 10 wiederum ein schwingungsfähiges Gebilde mit relativ zu

₂ nach größerer Eigenfrequenz dar. Neben der Aufhängung der Vakuumschalterkammern an der Traverse 7 ist mittels der Buchse 8 noch eine axiale Führung des beweglichen Kontakts 1 in einer Ausnehmung des Stützteils 9 vorgesehen.

[0020] In Figur 2 ist ein Einschaltvorgang unter Kurzschlußbe­dingungen dargestellt. Im Augenblick der Kontaktberührung fließt bereits ein beträchtlicher Strom i_k, der unter Aus­nutzung der elastischen Verformbarkeiten eine Schiefstellung des beweglichen Kontaktes 1 hervorruft, die in der Figur 2 zum besseren Verständnis überzeichnet dargestellt ist. Die daraus resultierende exzentrische Berührungsstelle 11 ruft beim Aufprall der Kontakte nicht nur eine Verschiebung S₁ des ortsfesten Kontakts 2, sondern auch eine Verdrehung α hervor, die für den Deckel 4 eine zusätzliche Verwölbung und für das Gehäuse an dessen kritischen Stellen, insbe­sondere bei Ⓐ, eine überlagerte Beanspruchung erzeugt.Bei einem relativ steifen Deckel 4 ergeben sich dadurch an einzelnen Stellen hohe mechanische Spannungsspitzen im Keramikrohr 5 bzw. in der Lötverbindung zwischen Deckel 4 und Keramikrohr 5.

[0021] Anstelle des plattenförmigen, steifen Deckels 1 von Figur 1 sind nach der Erfindungsidee Abschlußkörper mit einem ela­stischen Abschnitt mit einer sehr niedrigen Federkonstanten in Verbindung mit einem plastisch verformbaren Abschnitt zur Minderung von durch den Herstellprozeß bedingten Schrumpfspannungen vorgesehen. Dabei bietet sich eine wellen­förmige Ausbildung des elastischen Abschnitts an. So bildet nach Figur 3 ein Deckel 14 über einen faltenbalgartig aus­gebildeten, also mit wellenförmigem Mantel versehenen Zy­linder 21 die Verbindung zwischen dem Keramikrohr 5 und dem Kontaktbolzen 3. Der Deckel 14 ist dabei aus einem Werk­stoff mit niedrigem Elastizitätsmodul und großem plastischen Bereich ausgeführt, z.B. einem gasfreien Kupfer. Der falten­balgartige Zylinder 21 wird in vorteilhafter Weise aus einem Cr-Ni-Stahl geringer Wandstärke angefertigt. Obwohl der Deckel 14 in herkömmlicher Weise durch eine Hartlötung mit dem Keramikrohr 5 verbunden ist, wird durch die Werkstoff­auswahl und die Zwischenschaltung des Zylinders 21 sowohl die Entstehung gefährlicher Schrumpfspannungen in dem kera­mischen Werkstoff, als auch die Übertragung von achsialen und seitlich gerichteten Kräften auf das Keramikrohr 5 weitgehend vermieden.

[0022] Eine besonders wirkungsvolle Ausbildung des Abschluß­körpers ist in Figur 4 dargestellt, bei der mit dem Kon­taktbolzen 3 ein wellenförmiger Teil 24 aus elastischem Werkstoff verbunden ist, während an der Stirnseite 13 des Keramikrohres 5 ein aus einem plastischen Metall herge­stellter dünnwandiger Ring 25 mit seinem äußeren Schenkel 12a stirnseitig angelötet ist. Der Ring 25 kann beispiels­weise im Querschnitt U- oder L-förmig ausgeführt sein. Der Ring 25 ist mit dem Deckel 24 ebenfalls am Bund 27 durch eine vakuumdichte Verbindungen zusammengefügt. Durch die in Figur 4 gezeigte Lösung können durch Formgebung und Werkstoffauswahl des dünnwandigen Ringes 25 die Schrumpf­spannungen besonders gut minimiert werden.

[0023] Für die Schaltkammern, bei denen die Ausbildung des Abschluß­körpers, z.B.durch Anwendung eines faltenbalgartigen Zylin­ders 21, eine sehr große Verstellbarkeit des Gehäuses zu­läßt, kann gemäß Figur 5 nach einem weiteren Merkmal der Erfindung eine zusätzliche Abstützung 26a bzw. 26b an der Oberseite die Beweglichkeit auf vorgegebene Werte ein­schränken. Die Abstützung nach 26a wirkt dabei ausschließ­lich in achsialer Richtung als Begrenzung, die Abstützung nach 26b in Richtung aller Freiheitsgrade, die die erfin­dungsgemäßen Abschlußdeckel zulassen. Die genannten Ab­ stützungen verhindern dabei auch ein Austreten des Ge­häuses der Schaltkammer aus dem Stützteil 9 bei von außerhalb auf den Schalter wirkenden Schwingungen. Im Stützteil 9 kann außerdem eine elastische Scheibe 28 me­chanische Stöße des zurückfedernden Gehäuses auffangen.

Bezugszeichen
Beweglicher Kontakt .....	1
ortsfester Kontakt .....	2
Kontaktbolzen .....	3
Deckel .....	4
Keramikrohr .....	5
Mantelrohr .....	6
Traverse .....	7
Führungsbuchse .....	8
Stützteil .....	9
Flansch .....	10
Kontaktberührungsstelle .....	11
Schenkel .....	12a, 12b
Stirnseite .....	13
Deckel .....	14
faltenbalgartiger Zylinder .....	21
wellenförmiges Blechteil .....	22
kombinierter Abschlußdeckel .....	23
wellenförmiger Deckel .....	24
dünnwandiger Ring .....	25
Abstützung .....	26a, 26b
Bund ....	27
elastische Scheibe .....	28

Ansprüche

1. Schaltkammer eines Vakuumschalters mit einem wenig­stens ein Isolierrohr aufweisenden Gehäuse, einem durch einen die Schaltkammer tragenden Kontaktbolzen gehaltenen ortsfesten Kontakt, einem in etwa in Rich­tung der Schalterachse beweglichen, über einen Falten­balg vakuumdicht mit dem Gehäuse verbundenen Kontakt; der den ortsfesten Kontakt in der eingeschalteten Stellung stirnseitig unter der Wirkung einer Kontakt­kraftfeder berührt, und einem das Isolierrohr mit der Kontaktbolzen des Gehäuses vakuumdicht verbindenden, gekrümmten Abschlußkörper, der die beim Einschalten des Vakuumschalters entstehenden Stoßbelastungen auf das Gehäuse überträgt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abschlußkörper aus einem Abschnitt mit ela­stischer Verformbarkeit besteht, dessen inneres Ende mit dem Kontaktbolzen verbunden ist und an dessen äußeres Ende sich ein plastisch verformbarer Abschnitt anschließt, der an der Stirnseite des als hochvakuum­dichtes Keramikrohr ausgebildeten Isolierrohres befe­stigt ist und der die durch den Herstellprozeß beding­ten Schrumpfspannungen an der Verbindungsstelle zu dem Keramikrohr abbaut.

2. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der elastisch verformbare Abschnitt sich als wellen­förmiger Deckel (24) annähernd senkrecht zur Schalter­achse ausbreitet.

3. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der elastisch verformbare Abschnitt eine Zylinder­form (21) mit faltenbalgähnlicher Ausbildung der Wan­dung aufweist.

4. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der elastisch verformbare Abschnitt (21, 24) dem Kontaktbolzen (3) innerhalb des Keramikrohres (5) eine Beweglichkeit in mehreren Freiheitsgraden er­möglicht.

5. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der elastisch verformbare Abschnitt des Abschluß­körpers sowohl eine transversale Beweglichkeit des Kontaktbolzens (5) in axialer und in radialer Richtung als auch eine Drehbeweglichkeit des Kontaktbolzens (3) gegenüber der Achse der Schaltkammer zuläßt.

6. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach Anspruch 3, 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Keramikrohr (5) mit einem ebenen oder gewölbten Deckel (14) aus einem plastisch verformbaren Werkstoff verbunden ist, an den sich der faltenbalgähnliche, Zy­linder (21) anschließt, der sich in das Innere der Schaltkammer ausdehnt.

7. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach Anspruch 2, 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der elastische, wellenförmige Deckel (24) mit einem dünnwandigen Ring (25) aus einem plastisch ver­formbaren Werkstoff verbunden ist.

8. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der dünnwandige Ring (25) U-förmig ausgebildet und mit einem Schenkel (12a) mit der Stirnseite (13) des Keramikrohrs (5) verbunden ist, während der andere Schenkel (12b) an einem zylindrischen Bund (27) des wellenförmigen Deckels (24) befestigt ist.

9. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Befestigungsflächen des wellenförmigen Deckels (24) mit dem Kontaktbolzen (3) bzw. mit dem Schenkel (12a) außerhalb des evakuierbaren Teils der Schaltkammer angeordnet sind.

10. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der dünnwandige Ring (25) bzw. der Deckel (14) aus einem gasfreien Kupfer hergestellt ist.

11. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die wellenförmigen oder faltenbalgartig ausge­bildeten Teile (21, 24) aus einem Chrom-Nickelstahl von maximal 1 mm Wandstärke bestehen.

12. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltkammer auf der Seite des beweglichen Kontakts (1) in einem Stützteil (9) gegebenenfalls über eine elastische Scheibe (28) abgestützt und der bewegliche Kontakt (1) mittels einer Führungs­buchse (8) axial geführt ist.

13. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse bei sich berührenden Kontakten (1,2) vorzugsweise im Bereich der Stirnseite des Keramik­rohres (5) an einer Abstützung (26a) anliegt, bzw. gegebenenfalls von ihr (26b) allseitig geführt ist.

14. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abstützung (26a, 26b) das Herausgleiten des Gehäuses aus dem Stützteil (9) verhindert.

15. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abstützung (26a, 26b) einen großen die Bewegung der Schaltkammer dämpfenden Anteil aufweist und zum Bei­spiel wenigstens teilweise aus geschichteten Blechen oder aus einem Kunststoffring besteht.

16. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach einem oder mehreren der Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungen zwischen den Bauteilen des Ab­schlußkörpers (4,21,24,25) und den daran befestigten Teilen als Lötverbindung ausgeführt sind.

17. Schaltkammer eines Vakuumschalters nach einem oder mehreren der Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungen zwischen den Bauteilen des Ab­schlußdeckels (4,21,24,25) und den daran befestigten Teilen als Schweißverbindungen ausgeführt sind.

Zeichnung