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Vakuumschaltröhre für Mittelspannunasschaltqeräte.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre für Mittelspannungsschaltgeräte
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Schaltröhre ist beispielsweise
aus der DE-AS 26 33 543 zu entnehmen. Dort ist das Gehäuse aus zwei zylinderförmigen
Isolierstoffteilen zusammengesetzt, mit deren einander gegenüberliegenden Stirnseiten
ein Metallring vakuumdicht verbunden ist, welcher gleichzeitig als Halterung für
einen zylinderförmigen Dampfschirm dient.
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Daneben sind Vakuumschaltröhren bekannt und üblich, bei denen das
Gehäuse im Bereich der Schaltkontakte eine metallische Schaltkammer bildet und bei
denen sich in axialer Richtung an diese Schaltkammer beidseitig Isolierstoffteile
mit geringerem Durchmesser anschließen.
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Diese Ausführungsform hat sich bei Vakuumschaltröhren für Mittelspannungsgeräte
und Anlagen, die Betriebsspannungen zwischen etwa 7kV und 36kV schalten können müssen,
weitgehend durchgesetztO Diese Ausführungsform ist bereits relativ klein und durch
die Möglichkeit, zylinderförmige Isolierstoffteile mit relativ kleinem Durchmesser
zu verwenden, auch relativ kostengünstig.
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Demgegenüber besteht die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt,
in einer weiteren Verkürzung der Vakuumschaltröhren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch
1 und in einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit, ohne daß der Polmittenabstand
vergrößert werden muß, und in einer kostengünstigeren Gestaltung der Schaltröhre
Unter "Polmittenabstand" wird der Abstand zwischen den Rotationsachsen der Schaltkontakte
von zwei
z.B. in einem Vakuumschalter benachbarten Schaltröhren
verstanden.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch
1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre weist gegenüber Röhren mit einem
im wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse den Vorteil einer Reduzierung der Herstellungskosten
auf, da spannungsabhängige Mindestabstände zwischen den Kontakten und dem die Kontakte
umgebenden Dampfschirm eingehalten werden müssen, so daß dort vakuumfeste Isolatoren
mit großem Durchmesser erforderlich sind. Solche Isolatoren sind teuer. Ein weiterer
Vorteil gegenüber Röhren der angegebenen Art besteht in einer Verkleinerung des
zulässigen Polmittenabstandes. Dieser ist unter anderem durch die Neigung zu Überschlägen
zwischen benachbarten Schaltröhren bestimmt und wächst insbesondere mit dem Durchmesser
der mit den Kontakten elektrisch leitend verbundenen Flanschen an den Stirnseiten
der Isolierstoffteile.
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Gegenüber Vakuumschaltröhren mit einer metallischen Schaltkammer und
daran in axialer Richtung beidseitig anschließenden Isolatoren mit kleinerem Durchmesser,
die z.B. aus der DE-OS 27 17 562 bekannt sind, besitzt die erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre
den Vorteil eines kürzeren und stabileren Aufbaues. Durch die Verkleinerung aller
Teile um die Länge der Schaltkammer ist trotz der gegenüber den kleineren Isolatoren
der bekannten Ausführungsform teueren, sich verjüngenden Isolatoren eine Kostenersparnis
möglich.
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Durch diese Ausführungsform wird auch die Empfindlichkeit gegenüber
seitlich angreifenden Stromkräften und die Empfindlichkeit gegenüber einer Knickung
infolge der erforderlichen sehr hohen Kontaktdrticke erheblich verringert,
da
die Baulänge der Schaltröhre nicht mehr wesentlich größer zu sein braucht, als durch
die vorgeschriebene Schlagweiten, d.h. die erforderlichen Isolierstrecken zwischen
spannungsführenden Teilen entgegengesetzter Polarität, erforderlich ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Verlustleistung
in den Kontaktbolzen reduziert, die Erwärmung beim Stromdurchgang ist geringer und
die kritischen Vorschriften über die maximal zulässige Übertemperatur im Bereich
der Schaltröhren ist leichter zu erfüllen.
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Die relativ kurzen Kontaktbolzen können Stromkräfte von einigen 1000N,
z.B.. von Nachbarphasen in einem Mittelspannungsschaltgerät, leichter aufnehmen,
das Biegemoment ist entsprechend der Verkürzung des Strompfades geringer, die benötigten
Beschleunigungskräfte sind aufgrund der kleineren bewegten Massen geringer.
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Vorteilhaft sind die Isolierstoffteile kegelstumpfförmig ausgebildet.
Dabei ergibt sich eine ausreichende Spannungsfestigkeit, wenn die Summe der Mantellinien
der beiden Kegelstümpfe gleich oder größer ist als die für den Vakuumschalter erforderliche
Schlagweite.
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Vorteilhaft weist der Dampfschirm zumindest einen Befestigungsflansch
auf, welcher zwischen den einander zugewandten Stirnseiten der beiden Isolierstoffteile
liegt und mit diesen vakuumdicht verbunden ist. Dabei können die Isolierstoffteile
aus den üblichen Werkstoffen, wie Keramik, insbesondere Aluminiumoxidkeramik bestehen
und durch Hartlöten mit den anschließenden Teilen des Gehäuses vakuumdicht verbunden
sein.
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Der Dampfschirm weist vorteilhaft auch bei der größten im Betrieb
vorgesehenen Öffnung der Schaltkontakte von beiden Schaltkontakten einen größeren
Abstand auf als
die beiden Schaltkontakte voneinander.
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Der Dampfschirm ist vorteilhaft aus zwei Abschirmblechen zusammengesetzt,
welche in je ein Isolierstoffteil hineinragen, wobei zumindest ein Abschirmblech
einen Befestigungsflansch aufweist, wobei der Befestigungsflansch zwischen den beiden
Stirnseiten der Isolierstoffteile liegt und mit den Isolierstoffteilen vakuumdicht
verlötet ist. Diese Ausführungsform ist fertigungstechnisch einfach herzustellen.
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Eine Ausführungsform, bei der jedes Abschirmblech einen Befestigungsflansch
besitzt und bei der beide Befestigungsflansche zwischen den Stirnseiten der Isolierstoffteile
liegen, hat den Vorteil, daß die Abschirmbleche einfach in die entsprechenden Isolierstoffteile
eingesetzt und in nur einem Arbeitsgang mit diesen und miteinander verlötet bzw.
verschweißt werden können.
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Für Fälle, in denen auch kapazitive Entladungen über das Abschirmblech
nach außen stören, kann das Abschirmblech auch in an sich bekannter Weise so befestigt
werden, daß keine leitende Verbindung zur Stoßstelle zwischen den beiden Isolierstoffteilen
besteht. Hierzu eignet sich beispielsweise das Einsetzen eines Flansches des Abschirmbleches
in eine Nut zumindest eines der Isolierstoffteile.
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Bei einer konischen Form der Isolierstoffteile reicht bereits ein
Vorsprung auf deren Innenseite aus, um einen entsprechend geformten Dampfschirm
zu halten.
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Die Erfindung wird nun anhand von zwei Figuren näher erläutert. Sie
ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Beispiele beschränkt.
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Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vakuumschaltröhre in teiweise geschnittener
Ansicht,
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine Dampfschirm-Befestigung
in geschnittener und gebrochener Ansicht.
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Eine Vakuumschaltröhre weist Schaltkontakte auf, die sich jeweils
aus einem Kontaktstück 1 bzw. 2 und einem Kontaktbolzen 3 bzw. 4 zusammensetzen.
Die Kontaktbolzen 3 und 4 sind koaxial zueinander angeordnet und durch das Gehäuse
hindurchgeführt und bilden außerhalb des Gehäuses äußere Anschlüsse 5 bzw. 6. Die
Kontaktbolzen 3 und 4 sind in an sich bekannter Weise mit den Stirnseiten 7 bzw.
8 von Isolierstoffteilen 9 bzw. 10 vakuumdicht verbunden. Die Isolierstoffteile
9 und 10 verjüngen sich zu den äußeren Anschlüssen 5 bzw. 6 hin und weisen einander
gegenüberliegende Stirnseiten 11 und 12 auf, zwischen denen Flansche von Abschirmblechen
13 und 14 angeordnet sind. Diese Flansche sind mit den Stirnseiten 11 und 12 der
Isolierstoffteile 9 und 10 und miteinander vakuumdicht verbunden.
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Die hier gezeigte Ausführungsform gewährleistet eine besonders hohe
mechanische Festigkeit der Vakuumschaltröhre, da die Biegekräfte, die auf die Isolierstoffteile
übertragen werden, durch die konische Form zumindest teilweise in Druckkräfte umgewandelt
werden. Gegenüber und Druckkräften ist jedoch Keramik weniger empfindlich als gegenüber
Biegekräften.
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Heben der gezeigten Ausführungsform sind auch andere Formen der Isolierstoffteile
denkbar, beispielsweise unsymmetrische kegelstumpfförmige Versionen, die eine weitere
Verkürzung insbesondere des Kontaktbolzens 4 des festen Kontaktes ermöglichen. Eine
derartige Ausführungsform ist für hohe Nennströme und relativ kleine Nennspannungen
vorteilhaft, da in diesem Fall die erforderlichen Schlagweiten geringer sind als
die zumindest an dem beweglichen Bolzen erforderliche Baulänge, während die
auftretenden
Stromkräfte besonders hoch sind.
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In einer erfindungsgemäßen Gehäuseausführung können Schaltbolzen mit
der erforderlichen Biegefestigkeit aus einem relativ preisgünstigen Werkstoff hoher
elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, insbesondere aus Kupfer bestehen, welcher
bei den Ausführungsformen nach dem Stand der Technik keine ausreichende mechanische
Festigkeit aufweisen würde.
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In einer Ausführungsform der Erfindung, in der zwischen den einander
zugewandten Stirnseiten der Isolierstoffteile nur der bzw. die Befestigungsflansche
des Dampfschirmes angeordnet sind, kann der Dampfschirm inklusive seiner Befestigungsflansche
aus duktilem unmagnetischem Material, z.B. aus Kupfer oder Kupferlegierungen, bestehen.
Die im Temperaturausdehnungskoeffizienten nicht an die Keramik angepaßten Befestigungsflansche'werden
in diesem Fall durch die beidseitig angrenzende Keramik ausreichend fest verbunden,
die vakuumdichte Verbindung ist gewährleistet. So können stö-.
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rende Brummgeräusche beim Durchgang hoher Ströme vermieden werden.
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Die Polmittenabstände, die hauptsächlich durch die stromführenden
Flansche 17 und 18 auf den Stirnseiten 7 und 8 und das im Bereich dieser Flansche
stark inhomogene elektrische Feld bestimmt sind, können durch die erfindungsgemäße
Bauform kleingehalten werden. Sie sind nur noch durch die unmittelbar im Bereich
der Flansche 17 und 18 angeordneten Teile bestimmt. Ihr Durchmesser kann daher kleiner
gehalten sein als bei den bekannten Bauformen mit einer Schaltkammer aus Metall
und gegenüber dieser dünneren zylindrischen Islierstoffteile.
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Somit kann durch diese Ausführungsform auch der Polmittenabstand weiter
herabgesetzt werden.
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Die Ausführungsform und die Befestigung des aus den Abschirmblechen
19 und 20 zusammengesetzten Dampfschirmes der Fig. 2 hält die Lotverbindung 23 zwischen
den Isolierstoffteilen 9 und 10 frei vom Potential des Dampf-Schirmes und schirmt
diese Lotverbindung zusätzlich vom Ionenplasma, welches beim Schaltvorgang entsteht,
ab.
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Hierzu ist der Dampfschirm aus zwei unterschiedlichen Abschirmblechen
19 und 20 zusammengesetzt, von denen ein Abschirmblech 19 an einem sich verjüngenden
Isolierstoffteil 9 anliegt, während das zweite Abschirmblech 20 einen Flanschring
22 aufweist, der an einer Anschlagfläche 24 des Isolierstoffteils 10 anliegt. Diese
Anschlagfläche 24 begrenzt eine ringförmige Ausnehmung 21 im Isolierstoffteil 10.
Zusätzlich zu dieser Ausnehmung 21 wird die Anschlagfläche 24 durch eine ringförmige
Erhebung 25 an der Innenwand des Isolierstoffteils 10 gebildet bzw. vergrößert.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Dampfschirm beim Zusammenbau einfach
auf Anschlag in die Ausnehmung 21 eingesetzt werden und das Isolierstoffteil 9 anschließend
aufgeschoben und mit dem anderen Isolierstoffteil 10 verlötet werden kann. In dieser
Ausführungsform ist die Lotnaht 23 frei vom Schirmpotential und gegenüber dem Ionenplasma,
welches in der Schaltkammer beim Ausschalten entsteht, abgeschirmt. Eine Entladung
über die Lotnaht 23 auf Gegenstände in der Nachbarschaft der Vakuumschaltröhre ist
daher in dieser Ausführungsform für alle zu erwartenden Spannungsbelastungen vermieden
An die Stelle der Anschlagfläche 24 können auch einzelne über den Umfang des Isolierstoffteiles
verteilte Anschläge treten, wenn eine Anschlagfläche nicht erforderlich ist. Als
einzelne Anschläge eignen sich z.B. an die Innenwand angeformte Noppen.
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8 Patentansprüche 2 Figuren