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Dokumentenidentifikation DE10305464A1 12.08.2004
Titel Schaltanlage mit Abschirmelementen zum Abschirmen parasitärer Magnetfelder
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Jung, Wolfgang, 60316 Frankfurt, DE;
Teichmann, Jörg, Dr., 63755 Alzenau, DE
DE-Anmeldedatum 04.02.2003
DE-Aktenzeichen 10305464
Offenlegungstag 12.08.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.08.2004
IPC-Hauptklasse H01H 33/666
IPC-Nebenklasse H02B 13/035   
Zusammenfassung Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst kompakte Schaltanlage der eingangs genannten Art bereitzustellen.
Um eine Schaltanlage (1) zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes, insbesondere im Mittelspannungsbereich, mit in einem Gasraum angeordneten Vakuumschaltröhren (7), die zur Erzeugung eines Magnetfeldes eingerichtet sind, möglichst kompakt auszugestalten, sind aus einem ferromagnetischen Material bestehende Feldsteuerelemente (10) vorgesehen, die zumindest eine der Vakuumschaltröhren (7) gegenüber dem Einfluss von Fremdmagnetfeldern abschirmen, die von anderen Vakuumschaltröhren (7) erzeugt sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltanlage zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes, insbesondere im Mittelspannungsbereich, mit in einem Gasraum angeordneten Vakuumschaltröhren, die zur Erzeugung eines Magnetfeldes eingerichtet sind.

Eine solche Schaltanlage ist beispielsweise aus der DE 198 09 839 A1 bereits bekannt. Die dort offenbarte Schaltanlage weist einen gasdichten, mit Gas befüllten Behälter auf, in dem drei parallel zueinander angeordnete Vakuumleistungsschalterröhren vorgesehen sind. Dabei sind die Vakuumleistungsschalterröhren zur Erzeugung eines Magnetfeldes eingerichtet.

Aus der DE 39 00 684 ist eine Kontaktanordnung für eine Vakuumschaltröhre bekannt. Die dort offenbarte Kontaktanordnung weist einen feststehenden Festkontakt sowie einen diesbezüglich in einer Längsrichtung beweglich geführten Bewegkontakt auf. Der Festkontakt und der Bewegkontakt bestehen jeweils aus einer Kontaktscheibe und einem topfförmigen Kontaktträger, der einen hohlzylindrischen Wandungskörper sowie eine der Kontaktscheibe axial gegenüberliegende Bodenwandung aufweist. An der Bodenwandung ist ein Stromführungsbolzen zum Zu- bzw. Abführen eines elektrischen Stromes befestigt. Der Wandungskörper weist gegenüber der Längsrichtung geneigte Schlitze auf, die wendelförmige Leiterbahnen begrenzen, über die einem über die Kontaktanordnung fließenden Strom eine azimutale Richtungskomponente aufgeprägt wird. Durch diesen Stromverlauf kommt es beim Trennen der Kontakte zur Ausbildung eines beispielsweise axialen Magnetfeldes zwischen den einander zugewandten Kontaktscheiben. Das axiale Magnetfeld wirkt der Selbstkontraktion eines Lichtbogens und damit einem erhöhten Abbrand der Kontakte entgegen, da sich die gesamte Energie des gezogenen Lichtbogens gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Kontaktscheiben verteilt.

Alternativ dazu ist durch die geschlitzte Ausführung der Kontaktstücke auch die Erzeugung eines radialen Magnetfeldes zwischen den sich stirnseitig zugewandten Kontakten möglich, das für eine Rotation eines gezogenen Lichtbogens aufgrund von Lorentzkräften sorgt. Die Rotation unterstützt den Löschprozess des Lichtbogens bei einem Nulldurchgang des Wechselstromes, so dass aufgrund des radialen Magnetfeldes höhere Ströme durch den Vakuumschalter unterbrochen werden können.

Den vorbekannten Schaltanlagen der eingangs genannten Art haftet der Nachteil an, dass das vorteilhafte Eigenmagnetfeld einer Vakuumschaltröhre, also das durch ihre eigenen Kontaktstücke erzeugte Magnetfeld, durch parasitäre Fremdmagnetfelder, die von den Kontaktanordnung benachbarter Vakuumschaltröhren stammen, beeinflusst ist. Insbesondere bei einer dreipoligen Ausgestaltung der Schaltanlage, die bei dreiphasigen Wechselstromnetzen üblich ist, kann sich der zeitabhängige Fremdmagnetfeldeinfluss nachteilig auswirken und die beschriebenen vorteilhaften Wirkungen des Eigenmagnetfeldes verringern oder sogar vollständig unterdrücken.

Die Beeinflussung einer Vakuumschaltröhre durch Fremdmagnetfelder ist vom Abstand der Vakuumschaltröhren voneinander abhängig. Bei größeren Abständen ist der Fremdmagnetfeldeinfluss geringer als bei kleineren Abständen. Um den Fremdmagnetfeldeinfluss möglichst gering zu halten, ist daher bei Schaltanlagen gemäß dem Stand der Technik zwischen den Vakuumschaltröhren ein ausreichend großer Abstand eingehalten, um die Stärke des Fremdmagnetfeldes nicht größer als die Stärke des Eigenmagnetfeldes werden zu lassen. Das Einhalten großer Abstände zwischen den Vakuumschaltröhren führt jedoch zu raumgreifenden Schaltanlagen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine möglichst kompakte Schaltanlage der eingangs genannten Art bereitzustellen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch aus einem ferromagnetischen Material bestehende Feldsteuerelemente, die zumindest eine der Vakuumschaltröhren gegenüber dem Einfluss von Fremdmagnetfeldern abschirmen, die von anderen Vakuumschaltröhren erzeugt sind.

Die Erfindung beruht auf dem Effekt, dass ferromagnetische Feldsteuerelemente, also Feldsteuerelemente mit einer Permeabilität größer als 1, einen gegenüber dem Gasraum, in dem die Vakuumschaltröhren angeordnet sind, herabgesetzten magnetische Widerstand aufweisen. Ein Fremdmagnetfeld breitet sich daher aus energetischen Gründen bevorzugt in den Feldsteuerelementen aus, so dass es durch eine zweckmäßige Anordnung der Feldsteuerelemente in der Umgebung zumindest einer der Vakuumschaltröhren ermöglicht ist, die außerhalb der Vakuumkammer der Vakuumröhren vorhandenen Magnetfelder, also die Streumagnetfelder, in den Feldsteuerelementen zu bündeln. Durch diese Bündlung der Magnetfelder können benachbarte Vakuumschaltröhren selbst bei geringen Abständen der Vakuumschaltröhren voneinander von dem störenden Fremdmagnetfeldeinfluss weitgehend freigehalten werden. Durch die ferromagnetischen Feldsteuerelemente werden die erzeugten parasitären Magnetfelder von den benachbarten Vakuumschaltröhren quasi abgesaugt.

Unter dem Begriff Abschirmen ist im Sinne der Erfindung demnach das Abhalten von gestreuten Magnetfeldern von den Vakuumaschaltröhren durch Bündelung dieser Magnetfelder in den Feldsteuerelementen zu verstehen. Dabei ist es keineswegs erforderlich, dass die Feldsteuerelemente zwischen den Vakuumschaltröhren angeordnet sind. Es ist sogar vorteilhaft, wenn die Feldsteuerelemente zumindest teilweise nicht zwischen benachbarten Vakuumschaltröhren angeordnet ist. Die Feldsteuerelemente stellen erfindungsgemäß vielmehr eine Art magnetischen Kommutierungszweig oder mit anderen Worten einen magnetischen Shunt dar, der den benachbarten Vakuumröhren parallel geschaltet ist. Auf Grund des herabgesetzten magnetischen Widerstands in diesem Kommutierungszweig findet der magnetische Fluss im Wesentlichen über die Feldsteuerelemente statt.

Zum Schalten mehrphasiger Wechselströme werden in der Regel mehrpolige Schaltanlagen eingesetzt, wobei die Anzahl der Pole der Anzahl der zu schaltenden Phasen entspricht. Der Abstand der Vakuumschaltröhren solcher Schaltanlagen wird daher üblicherweise auch als Polmittenabstand bezeichnet.

Die erfindungsgemäß vorgesehen Feldsteuerelemente sind aus einem ferromagnetischen Material wie Eisen, Nickel, Chrom, ferromagnetische Metalllegierungen, wie beispielsweise Mumetall oder aber auch nicht leitenden Stoffen wie Ferrite oder mit Ferromagnetika gefüllten Kunststoffen, wie beispielsweise Thermo- oder Duroplasten.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung sind die Vakuumschaltröhren parallel zueinander ausgerichtet und bilden eine Schalteranordnung aus, wobei die Feldsteuerelemente außerhalb der Schalteranordnung angeordnet sind. Da für jede Phase eines Verteilernetzes eine Vakuumschaltröhre benötigt wird, ist bei Drehstromnetzen üblicherweise der Einsatz von drei Vakuumschaltröhren erforderlich, die zusammen mit Kühl-, Halte- und Stromführungsmitteln Schalterpole ausbilden. Die drei Schalterpole werden im Folgenden als Schalteranordnung bezeichnet.

Vorteilhafterweise sind die Vakuumschaltröhren parallel zueinander ausgerichtet und bilden eine Schalteranordnung aus, wobei die Feldsteuerelemente zumindest teilweise außerhalb der Schaleranordnung angeordnet sind. Überraschenderweise ergab sich, dass Feldsteuerelemente, die zwischen den Vakuumschaltröhren angeordnet sind, den Fremdmagnetfeldeinfluss verstärken. Dies beruht auf der Herabsetzung des magnetischen Widerstandes durch die Feldsteuerelemente zwischen den Vakuumschaltröhren, wodurch ein Übergreifen eines von der benachbarten Schaltröhre erzeugten Magnetfeldes begünstigt wird. Durch das Anordnen der Feldsteuerelemente außerhalb der Schalteranordnung wird der parasitäre magnetische Fluss jedoch aus der Schalteranordnung abgesaugt.

Vorteilhafterweise sind die Feldsteuerelemente kastenförmig ausgestaltet. Bei der kastenförmigen Ausgestaltung umgibt das Feldsteuerelement die Vakuumschalter, so dass die parasitären Magnetfelder sich bevorzugt an der von der jeweils anderen Vakuumschaltröhre abgewandten Seite einer äußeren Vakuumschaltröhre ausbreitet.

Abweichend dazu sind die Feldsteuerelemente plattenförmig ausgestaltet. Bei dieser erfindungsgemäßen Weiterentwicklung sind die Herstellungskosten der Feldsteuerelemente verringert. Dabei verläuft das Feldsteuerelement jedoch nicht umfänglich geschlossen um die Vakuumschaltröhren, wodurch gegebenenfalls eine Verschlechterung der Wirkung des Feldsteuerelementes in Kauf genommen werden muss.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung sind die Feldsteuerelemente zumindest als Teil einer Polschale ausgebildet. Vorteilhafterweise weisen lediglich die äußeren Vakuumschaltröhren, also diejenigen, die nur einer Vakuumschaltröhre benachbart sind, ein Polschalenteil aus ferromagnetischem Material auf. Dabei ist das aus ferromagnetischem Material bestehende Polschalenteil ebenfalls an der von der benachbarten Vakuumschaltröhre abgewandten Seite des Pols angeordnet. Eine solche als Feldsteuerelement ausgestaltete Polschale oder Polschalenteil ist nicht elektrisch leitend, aber gleichzeitig ferromagnetisch. Hierfür kommen beispielsweise mit Ferromagnetika gefüllte Polymere, wie Thermoplasten oder Duoplasten in Betracht.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung sind die Vakuumschaltröhren in einem aus ferromagnetischem Material bestehenden Gasbehälter angeordnet. Der Gasbehälter kann mit einem Schutzgas befüllt sein oder aber lediglich eine Luftisolation bereitstellen und zur Atmosphäre hin offen ausgestaltet sein. Dabei umgibt der Gasbehälter die Vakuumschaltröhren von allen Seiten, so dass der magnetische Fluss zwischen den Vakuumschaltröhren reduziert wird.

Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Vakuumschaltröhren in einem nicht aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Gasbehälter anzuordnen, um somit eine Gasisolation, beispielsweise aus Schwefelhexafluorid oder einem sonstigen üblichen Schutzgas, bereitzustellen.

Bei solchen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist jedoch das Feldsteuerelement zusätzlich zum Gasbehälter in diesem vorzusehen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Feldsteuerelement gleichzeitig ein Befestigungsmittel zum Befestigen einer aus den Vakuumschaltröhren gebildeten Schalteranordnung in der Schaltanlage, beispielsweise in einem Behälter oder dergleichen.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei sich entsprechende Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind und

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltanlage in einer teilweise geschnittenen Darstellung,

2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltanlage gemäß 1 und

3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltanlage gemäß 1.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltanlage 1 in einer teilweise geschnittenen Darstellung. Die in 1 nur ausschnittsweise dargestellte Schaltanlage 1 weist eine Schalteranordnung 2 auf, die aus drei Schalterpolen 3 besteht. Jeder Schalterpol 3 weist eine aus einem Polkopf 4 sowie einem Polträger 5 bestehende Polarmatur auf, wobei Polkopf 4 und Polträger 5 über eine Polschale 6 miteinander verbunden sind. Um einen Stromfluss über die Polschale 6 zu verhindern, ist die Polschale aus einem nicht leitenden Kunststoff hergestellt. Polkopf 4 und Polträger 5 jedes Schalterpols 3 sind über eine Vakuumschaltröhre 7 elektrisch miteinander verbunden. Dabei besteht die Vakuumschaltröhre 7 aus einem hohlzylindrischen Keramikkörper, der stirnseitig von zwei aus Metall bestehenden Deckeln vakuumdicht verschlossen ist. Am Polkopf 4 weist jede Vakuumschaltröhre 7 im Innern des Keramikkörpers einen in 1 nicht sichtbaren Festkontakt auf, dem stirnseitig ein längsbeweglich geführter Bewegkontakt gegenüberliegt. Dabei ist die Vakuumschaltröhre 7 an ihrem dem Polträger 5 zugewandten Ende mit einem Metallfaltenbalg versehen, den eine Schaltstange durchgreift, die an ihrem in die Vakuumschaltröhre 7 hineinragenden Ende den Bewegkontakt trägt. An ihrem aus der Vakuumschaltröhre 7 herausragenden Ende ist die Schaltstange mechanisch mit einem Antrieb 8 verbunden, der zur Erzeugung der Schaltbewegung eingerichtet ist. Die erzeugte Antriebsbewegung wird über ein zweckmäßiges Hebelgetriebe durch den Polträger 5 geführt und in die nicht dargestellte Schaltstange eingeleitet. Durch die Schaltbewegung werden Festkontakt und Bewegkontakt voneinander getrennt bzw. miteinander in Kontakt gebracht, so dass ein Stromfluss über den Schalterpol ermöglicht ist. Zum Zuführen und lastseitigen Abführen des Stromes ist jeder Schalterpol 3 ferner mit nicht figürlich dargestellten Stromanschlüssen versehen.

In 1 ist weiterhin erkennbar, dass die Schalterpole 3 in einem Gasbehälter 9 angeordnet sind, der gasdicht ausgestaltet und mit einem Schutzgas, wie beispielsweise SF6 oder Stickstoff, gefüllt ist. Zwischen den Schalterpolen 3 wird daher ein Gasraum mit einem hohen magnetischen Widerstand ausgebildet.

Der Festkontakt und der Bewegkontakt der Vakuumschaltröhre 7 weisen geschlitzte Kontaktträger auf, wobei durch die Schlitze wendelförmige Leitungsabschnitte begrenzt sind, die einen über die Vakuumschaltröhre 7 geführten Strom eine azimutale Komponente aufprägen, so dass zwischen den Kontakten ein axiales oder radiales Magnetfeld erzeugt wird, das ein Abbrand der Kontakte reduziert und/oder die Löschung des Lichtbogens bei einem Nulldurchgang des über den Schalterpol 3 geführten Wechselstromes unterstützt. Das durch die geschlitzten Kontakte der Vakuumschaltröhre 7 erzeugte Magnetfeld ist jedoch nicht auf den Zwischenraum zwischen den Kontakten begrenzt. Vielmehr wird auch außerhalb oder neben den Kontakten ein Magnetfluss erzeugt, dessen Stärke von der durch die Vakuumschaltröhre 7 fließenden Stromstärke als auch vom Abstand von den jeweiligen magnetfelderzeugenden Kontakten abhängig ist.

Aufgrund des Wechselstromes ist das Fremdmagnetfeld beispielsweise am Ort des mittleren Schalterpols 3 von der Phasenlage des Stroms der beiden benachbarten Vakuumschaltröhren 7 abhängig. Durch die beidseitige Erzeugung der Fremdmagnetfelder erfährt der mittlere Schalterpol 3 eine besonders starke Beeinflussung von Fremdmagnetfeldern.

Um den Einfluss dieser parasitären oder Fremdmagnetfelder zu verringern, sind Feldsteuerelemente 10 vorgesehen, die in 1 plattenförmig ausgebildet und außerhalb der Schalteranordnung 2 in den Gasbehälter 9 eingebaut sind. Die Feldsteuerelemente 10 bestehen aus Nickelblech und sind ferromagnetisch. Der magnetische Widerstand in den Feldsteuerelementen 10 ist daher um ein Vielfaches geringer als der magnetische Widerstand im Gasraum des Gasbehälters 9. Der magnetische Fluss breitet sich folglich aus energetischen Gründen bevorzugt innerhalb der Feldsteuerelemente 10 aus. Die Feldsteuerelemente 10 bewirken daher quasi ein Absaugen der parasitären Magnetfelder aus der Schalteranordnung 2 nach außen, so dass die Mittenabstände zwischen den Schalterpolen 3 auch bei höheren Strömen gegenüber vorbekannten Schaltanlagen 1 verringert ist.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltanlage 1 gemäß 1, wobei in diesem Ausführungsbeispiel ein kastenförmiges Feldsteuerelement 10 vorgesehen ist, das die gesamte Schalteranordnung 2 geschlossen umgibt. Durch das geschlossene umlaufende Feldsteuerelement 10 ist der Einfluss des ferromagnetischen Stoffes vergrößert.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltanlage 1, wobei die Feldsteuerelemente 10 als Teil der äußeren Polschalen 6 der Schalteranordnung 2 ausgebildet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel bestehen die Feldsteuerelemente 10 aus einem nicht leitenden Material und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem mit einem ferromagnetischen Partikeln gefüllten Duroplasten.


Anspruch[de]
  1. Schaltanlage (1) zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes, insbesondere im Mittelspannungsbereich, mit in einem Gasraum angeordneten Vakuumschaltröhren (7), die zur Erzeugung eines Magnetfeldes eingerichtet sind, gekennzeichnet durch aus einem ferromagnetischen Material bestehende Feldsteuerelemente (10), die zumindest eine der Vakuumschaltröhren (7) gegenüber dem Einfluss von Fremdmagnetfeldern abschirmen, die von anderen Vakuumschaltröhren (7) erzeugt sind.
  2. Schaltanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltröhren (7) parallel zueinander ausgerichtet sind und eine Schalteranordnung (2) bilden, wobei die Feldsteuerelemente (10) zumindest teilweise außerhalb der Schalteranordnung (2) angeordnet sind.
  3. Schaltanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldsteuerelemente (10) kastenförmig ausgebildet sind.
  4. Schaltanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldsteuerelemente (10) plattenförmig ausgestaltet sind.
  5. Schaltanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltröhren (7) in einem aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Gasbehälter (9) angeordnet sind.
  6. Schaltanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldsteuerelemente (10) zumindest als Teil einer Polschale (6) ausgebildet sind.
  7. Schaltanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldsteuerelemente (10) Befestigungsmittel zum Befestigen einer Schalteranordnung (2) sind.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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