Die Erfindung betrifft ein Schaltelement für einen Stufenschalter zum Umschalten zwi- schen verschiedenen Anzapfungen eines Transformators sowie einen Stufenschalter mit einem solchen Schaltelement.

Die Verwendung von Vakuumschaltröhren in Schaltelementen von Stufenschaltern, insbe- sondere Laststufenschaltern (englisch: on-load tap changer, OLTC), zur Unterbrechung von stromführenden Verbindungen ist bekannt. Solche Vakuumschaltröhren weisen einen festen und einen beweglichen Kontakt auf. Der bewegliche Kontakt ist mit einem Stößel verbunden, der bei Betätigung der Vakuumschaltröhre axial zu dieser bewegt wird. Eine Schiefstellung oder ein Versatz des beweglichen Kontakts bezüglich des festen Kontakts kann die dielektrische Festigkeit der Vakuumschaltröhre im geöffneten Zustand reduzie- ren. Dadurch kann der mit der Vakuumschaltröhre maximal schaltbare Strom nicht voll ausgenutzt werden und die Vakuumschaltröhre muss gegebenenfalls überdimensioniert werden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept für ein Schaltelement eines Stufenschalters anzugeben, durch welches der sichere Betrieb des Stufenschalters bei höheren Strömen ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, die Vakuumschaltröhre mit einer Führungs- Vorrichtung auszustatten, die sich bei einer Betätigung des beweglichen Kontakts mitbe- wegt und sich in einem Teilbereich an einem Gehäuse der Vakuumschaltröhre abstützen kann und dieses abfährt.

Dadurch wird an dem Teilbereich der Führungsvorrichtung und dem Gehäuse eine Lager- steile gebildet, welche eine zuverlässige Führung des beweglichen Kontakts und dem da- mit verbundenen beweglichen Stößel gewährleistet.

Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein Schaltelement für einen Stufenschalter ange- geben, welches eine Vakuumschaltröhre, eine Betätigungsvorrichtung und eine Führungs- Vorrichtung umfasst. Die Vakuumschaltröhre umfasst einen beweglichen Kontakt, einen mit dem beweglichen Kontakt verbundenen, elektrisch leitfähigen Stößel und ein Ge- häuse. Der bewegliche Kontakt ist im Inneren des Gehäuses angeordnet. Die Betäti- gungsvorrichtung ist zur Betätigung des Stößels, insbesondere zur axialen Bewegung des Stößels, und damit zur Betätigung des beweglichen Kontakts ausgebildet.

Die Führungsvorrichtung ist außerhalb, insbesondere vollständig außerhalb, des Gehäu- ses angeordnet und an der Betätigungsvorrichtung befestigt. Daher wird die Führungsvor- richtung bei einer Betätigung des beweglichen Kontakts durch die Betätigungsvorrichtung mitbewegt, insbesondere axial mitbewegt. Die Führungsvorrichtung umgibt das Gehäuse wenigstens zum Teil. Wenigstens ein Teilbereich der Führungsvorrichtung liegt an dem Gehäuse, insbesondere der Außenseite des Gehäuses, an.

Dadurch, dass der Teilbereich an dem Gehäuse anliegt, kann sich die Führungsvorrich- tung mit dem Teilbereich an dem Gehäuse abstützen um einer Verkippung der Betäti- gungseinrichtung beziehungsweise des Stößels und des beweglichen Kontakts entgegen- zuwirken. Der Teilbereich wird bei der Betätigung des beweglichen Kontakts durch die Be- tätigungsvorrichtung an dem Gehäuse entlangbewegt beziehungsweise gleitet an dem Gehäuse entlang. Die Führungsvorrichtung dient daher zur Führung des Stößels und des beweglichen Kontakts bei deren Betätigung.

Die Formulierung„liegt an dem Gehäuse an“ schließt auch ein technisch bedingtes Spiel zwischen dem Teilbereich der Führungsvorrichtung und dem Gehäuse ein, wie sich für den Fachmann ohne Weiteres erschließt. Das maximal zulässige Spiel ist definiert durch die maximal zulässige Verkippung gemäß den konkreten Anforderungen im Einzelfall. Beispielsweise kann das maximal zulässige Spiel kleiner oder gleich 1 mm sein.

„Axial“ bezieht sich hier auf die axiale Richtung der Vakuumschaltröhre beziehungsweise des Gehäuses, welches beispielsweise wenigstens teilweise zylindrisch oder im Wesentli- chen zylindrisch ausgebildet ist.

Durch die Führung des Stößels und damit des beweglichen Kontakts werden eine Schief- stellung und ein Versatz des beweglichen Kontakts bezüglich eines festen Kontakts der Vakuumschaltröhre verhindert. Es kommt daher nicht zu einer Reduzierung des Schalt- leistung des Stufenschalters durch das Schaltelement.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist der Teilbereich mehrere, insbesondere konzentrisch angeordnete, Abschnitte auf.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist die Führungsvorrichtung mehrere, insbe- sondere axial verlaufende, Streben auf. Endbereiche der Streben bilden dabei die Ab- schnitte des Teilbereichs.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist die Vakuumschaltröhre einen außenlie- genden Balg auf, insbesondere einen Federbalg, welcher das Innere des Gehäuses ab- dichtet. Der Balg kann beispielsweise als Metallbalg oder Stahlbalg ausgeführt sein.

Außenliegend bedeutet in diesem Zusammenhang, dass kein Gehäuseteil der Vakuum- schaltröhre um den Balg herum angeordnet ist. Vakuumschaltröhren mit außenliegendem Balg weisen regelmäßig keine integrierte Führung für den Stößel auf, beispielsweise im Inneren des Balgs. Aus diesem Grund wirkt sich das verbesserte Konzept bei der Ver- wendung von Vakuumschaltröhren mit außenliegendem Balg besonders vorteilhaft aus, indem die Führung verbessert wird.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Balg zur Abdichtung luftdicht mit dem Stößel und dem Gehäuse verbunden, beispielsweise verlötet.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umgibt die Führungsvorrichtung den Balg, ins- besondere umläuft ein weiterer Teilbereich der Führungsvorrichtung den Balg. Dadurch wird der Balg vor äußerer mechanischer Einwirkung schützt. Die Führungsvorrichtung dient daher vorteilhaft gleichzeitig der Führung und dem Schutz des Balgs.

Beschädigungen des Balgs können die Lebensdauer der Vakuumschaltröhre verringern oder, zum Beispiel im Falle einer Undichtigkeit, zerstören. Besonders bei Vakuumröhren mit außenliegendem Balg ist der zusätzliche Schutz des Balgs vorteilhaft, da der Balg an- sonsten frei zugänglich wäre.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umgibt der weitere Teilbereich den Balg voll- ständig oder im Wesentlichen vollständig. Im Wesentlichen vollständig bedeutet dabei, dass der Teilbereich zwar beispielsweise Öffnungen aufweisen kann, diese aber klein ge- nug sind um einen zuverlässigen Schutz des Balgs zu gewährleisten. Die Größe akzep- tabler Öffnungen hängt dabei vom konkreten Anwendungsfall ab und kann bei für den Einsatz in Stufenschaltern üblichen Größenordnungen der Vakuumschaltröhre beispiels- weise im Bereich von 3 bis 5mm liegen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Betätigungsvorrichtung einen Bol- zen, der mit dem Stößel verbunden ist und mit diesem koaxial angeordnet ist. Bolzen und Stößel bewegen sich daher gemeinsam in axialer Richtung. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Betätigungsvorrichtung einen La gerbock, der eine Lagerstelle für den Bolzen bildet und den Bolzen bei der Betätigung führt. Insbesondere ist der Bolzen durch einen rohrförmigen Teil des Lagerbocks hin- durchgeführt.

Dadurch werden zwei Lagerstellen gebildet, die genannte im Lagerbock sowie die weiter oben genannte Lagerstelle im Kontaktbereich von Führungsvorrichtung und Gehäuse der Vakuumschaltröhre. Durch die beiden Lagerstellen wird eine besonders zuverlässige Füh- rung des Bolzens, des Stößels und des beweglichen Kontakts erreicht. Besonders vorteil- haft sind Ausgestaltungen, bei denen der Stützabstand, also der Abstand zwischen den beiden Lagerstellen, möglichst groß ist.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die Vakuumschaltröhre, insbesondere das Gehäuse, eine Schaltkammer, innerhalb welcher der bewegliche Kontakt angeordnet ist und einen Isolierkörper, welcher zwischen Schaltkammer und Balg angeordnet ist. Der Kontaktbereich von Führungsvorrichtung und Gehäuse und damit die zweite Lagerstelle ist dann beispielsweise auf Höhe der Schaltkammer. Dadurch wird ein hoher Stützab- stand erzielt.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die Betätigungsvorrichtung einen Be- tätigungshebel, der mit dem Bolzen zur Betätigung des Bolzens und des Stößels verbun- den ist.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist die Führungsvorrichtung eine erste Öff nung zur Aufnahme der Betätigungsvorrichtung auf, insbesondere des Bolzens oder des Stößels, sowie eine zweite Öffnung zur Aufnahme des Gehäuses. Dadurch kann die Füh- rungsvorrichtung gewissermaßen auf die Vakuumschaltröhre aufgesteckt werden. Die Öff nungen sind beispielsweise kreisförmig oder im Wesentlichen kreisförmig und liegen an entgegengesetzten axialen Enden der Führungsvorrichtung.

Der Balg ist beispielsweise an der dem Bolzen zugewandten Seite des Gehäuses ange- ordnet und befindet sich daher vollständig innerhalb der Führungsvorrichtung.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist die Führungsvorrichtung einen elektrisch leitfähigen Einsatz oder eine elektrisch leitfähige Hülse auf, welcher mit dem Stößel elektrisch verbunden ist und beispielsweise in der ersten Öffnung angeordnet ist. Insbe- sondere stehen der Einsatz und der Stößel jeweils stirnseitig in Kontakt und sind dadurch elektrisch verbunden. Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet der Einsatz Messing, eine Messin- glegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Führungsvorrichtung an dem Stößel und/oder dem Bolzen befestigt. Alternativ oder zusätzlich kann die Führungsvorrichtung dadurch mit der Betätigungsvorrichtung verbunden sein, dass die Führungsvorrichtung, insbesondere der Einsatz, zwischen Bolzen und Stößel festgeklemmt ist.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist das Schaltelement einen Anschlusskon- takt auf, beispielsweise ein Anschlussblech, einen Anschlussdraht oder eine Anschluss- litze, welcher mit dem Einsatz elektrisch verbunden ist.

Der Anschlusskontakt dient zur elektrischen Verbindung des beweglichen Kontakts mit ei- ner weiteren Komponente des Stufenschalters. Der bewegliche Kontakt kann beispiels- weise ein Schaltkontakt (englisch: main switching contact) oder ein Widerstandskontakt (englisch: transition contact) sein. Diesbezüglich wird auf die fachübliche Nomenklatur ge- mäß IEC 60214-1 :2014 beziehungsweise DIN EN 60214-1 :2014 verwiesen.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Führungsvorrichtung und/oder der Teil- bereich, welcher mit dem Gehäuse der Vakuumschaltröhre in Kontakt steht, drehsymmet- risch oder im Wesentlichen drehsymmetrisch ausgebildet. Dadurch wird vermieden, dass durch die Führungsvorrichtung eine resultierende Nettokraft auf die Vakuumschaltröhre ausgeübt wird.

Der Begriff„drehsymmetrisch“ ist dabei so zu verstehen, dass er sowohl diskrete Dreh- symmetrien als auch kontinuierliche Drehsymmetrie, also Rotationssymmetrie, ein- schließt.

Gemäß dem verbesserten Konzept wird außerdem ein Stufenschalter, insbesondere ein Laststufenschalter, angegeben, welcher wenigstens ein Schaltelement gemäß dem ver- besserten Konzept umfasst.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Stufenschalter als Widerstandsschnell- schalter (englisch: res i stör type OLTC oder high-speed resistor type OLTC) oder als Re- aktorschalter (englisch: reactor type OLTC) ausgebildet.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform des Stufenschalters beinhaltet der Stufen- schalter einen Lastumschalter (englisch: diverter switch), welcher das Schaltelement um- fasst, oder einen Lastwähler (englisch: selector switch), welcher das Schaltelement um- fasst.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform des Stufenschalters dient der bewegliche Kon- takt als Schaltkontakt oder als Widerstandskontakt des Stufenschalters.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform des Stufenschalters sind mehrere, vorzugs- weise alle, Schaltkontakte und/oder mehrere, vorzugsweise alle, Widerstandskontakte mit jeweils einem Schaltelement gemäß dem verbesserten Konzept ausgeführt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die funktionell identisch sind oder ei- nen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umstän- den nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.

Es zeigen Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführungs- form eines Schaltelements gemäß dem verbesserten Konzept;

Figur 2 eine weitere perspektivische Ansicht des Schaltelements aus Figur 1 ; Figur 3 eine Längsschnittdarstellung des Schaltelements aus Figur 1 ; Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Führungsvorrichtung für ein Schaltelement gemäß dem verbes- serten Konzept; und

Figur 5 eine Längsschnittdarstellung der Führungsvorrichtung aus Figur 4.

Figuren 1 , 2 und 3 zeigen perspektivische Darstellungen sowie eine Längsschnittdarstel- lung einer beispielhaften Ausführungsform eines Schaltelements gemäß dem verbesser- ten Konzept. Mit der Ausnahme, dass die Führungsvorrichtung F in Figur 2 nicht gezeigt ist, sind Figuren 1 und 2 identisch.

Das Schaltelement umfasst eine Vakuumschaltröhre V mit einem Gehäuse. Das Gehäuse besitzt eine Schaltkammer S, die beispielsweise eine teilweise kreiszylindrische Außen- wand aufweist und wenigstens teilweise aus Metall bestehen kann. Das Gehäuse weist außerdem einen Isolierkörper IK auf, der im Wesentlichen als rohrförmiger Abschnitt mit ringförmigem Querschnitt ausgebildet ist und wenigstens teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material, zum Beispiel einem Keramikmaterial, besteht. Der Isolierkörper IK ist auf die Schaltkammer S aufgesetzt und mit dieser verbunden.

Die Vakuumschaltröhre V weist einen axial zur Vakuumschalröhre V beweglichen Kontakt K1 , einen unbeweglichen Kontakt K2, sowie einen beweglichen Stößel ST, welcher mit dem beweglichen Kontakt K1 verbunden ist, auf. Die Kontakte K1 , K2 sind in der Schalt- kammer S angeordnet.

Des Weiteren weist die Vakuumschaltröhre V einen außenliegenden Balg B auf, beispiels- weise einen Stahlbalg, der auf den Isolierkörper IK aufgesetzt und mit dem Isolierkörper IK verbunden ist, insbesondere luftdicht. Der Stößel ST verläuft von außerhalb des Ge- häuses durch den Balg B hindurch in die Schaltkammer S. Der Balg B ist auch mit dem Stößel ST luftdicht verbunden.

Durch Betätigung des Stößels ST und damit des beweglichen Kontakts K1 kann die Vaku- umschaltröhre geöffnet und geschlossen werden. Der Balg B wird dabei gestreckt bezie- hungsweise gestaucht.

Das beispielhafte Schaltelement besitzt einen Bolzen BZ, welcher mit dem Stößel ST ver bunden ist und koaxial zu diesem orientiert ist. Der Bolzen BZ kann mittels eines Betäti- gungshebels H (in Figur 3 nicht gezeigt), der hier beispielhaft als Winkelhebel ausgebildet ist, betätigt werden.

Das gezeigte Schaltelement weist zum Beispiel einen Lagerbock L (in Figur 3 nicht ge- zeigt) mit einem rohrförmigen Führungslager FL auf, durch welches der Bolzen BZ von der Vakuumschaltröhre V zu dem Betätigungshebel H geführt ist. Der Lagerbock L kann an einer weiteren Komponente des Stufenschalters, beispielsweise einem Rahmen oder Gestell, befestigt werden.

Die genaue Ausgestaltung der Betätigungsvorrichtung, insbesondere des Bolzens BZ, des Betätigungshebels H und des Lagerbocks L, ist abhängig von der jeweiligen Ausge- staltung des Stufenschalters in dem das Schaltelement eingesetzt werden soll.

Das Schaltelement besitzt außerdem eine Führungsvorrichtung F, die beispielsweise als Käfig ausgebildet ist und die Vakuumschaltröhre V teilweise einschließt, insbesondere den Balg B vollständig umgibt. Die Führungsvorrichtung F ist beispielsweise auf die Vaku- um röhre V gesteckt. Die Führungsvorrichtung F ist in Figuren 4 und 5 separat gezeigt.

Die Führungsvorrichtung F besitzt eine erste Öffnung 01 in welcher beispielsweise ein elektrisch leitfähiger Einsatz E angeordnet ist. Der Einsatz E ist im Wesentlichen rohrför- mig oder als Hülse ausgeführt. Die Öffnung 01 nimmt den Bolzen BZ auf, insbesondere ist der Bolzen BZ durch den Einsatz E geführt. Der Bolzen BZ ist an der Führungsvorrich- tung F befestigt, so dass die Führungsvorrichtung F bei einer Betätigung des Bolzens hin und her mitbewegt wird. Dazu kann der Einsatz E, und damit die Führungsvorrichtung F, zwischen Bolzen BZ und Stößel ST festgeklemmt sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Bolzen BZ mit dem Einsatz E verbunden sein.

Die Führungsvorrichtung F besteht, mit Ausnahme des Einsatzes E und gegebenenfalls Komponenten zur Befestigung des Einsatzes E in der Öffnung 01 , aus elektrisch isolie- rendem Material, beispielsweise einem Kunststoff, und kann einstückig ausgebildet sein.

Der Einsatz E ist mit einem Anschlusskontakt AK des Schaltelements sowie mit dem Stö- ßel ST elektrisch verbunden.

Zur Aufnahme des Gehäuses, insbesondere der Schaltkammer S, besitzt die Führungs- Vorrichtung F eine zweite Öffnung 02 gegenüberliegend zur ersten Öffnung 01. In der ge- zeigten beispielhaften Ausführungsform weist die Führungsvorrichtung F mehrere kon- zentrisch angeordnete Finger oder Streben Fl auf, welche beispielsweise nahe der zwei- ten Öffnung 02 mittels einer ringförmigen Komponente R miteinander verbunden sind.

Die ringförmige Komponente R und/oder Endbereiche der Finger oder Streben Fl, insbe- sondere um die zweite Öffnung 02 herum angeordnete Endbereiche, bilden einen Teilbe- reich der Führungsvorrichtung F, der an der Schaltkammer S anliegt.

Bei Betätigung der Vakuumschaltröhre V mittels Betätigungshebel H, Bolzen BZ, Stößel ST sowie Kontakt K1 bewegt sich die Führungsvorrichtung F mit. Da der Teilbereich an der Schaltkammer S anliegt, kann sich die Führungsvorrichtung F dabei an der Außen- wand der Schaltkammer S abstützen und fährt diese zum T eil ab. Einer Verkippung von Bolzen BZ, Stößel ST oder beweglichem Kontakt K1 wird so entgegengewirkt bezie- hungsweise vorgebeugt.

Dadurch werden zwei Lagerstellen realisiert. Eine erste Lagerstelle wird gebildet durch das Führungslager FL, eine zweite durch den an der Schaltkammer S anliegenden Teilbe- reich der Führungsvorrichtung F. Dadurch wird eine wesentlich verbesserte Führung von Bolzen BZ, Stößel ST und Kontakt K1 erzielt als dies ohne die Führungsvorrichtung F der Fall wäre, da in letzterem Fall nur eine einzige Lagerstelle, nämlich im Führungslager FL gegeben wäre. Vorteilhaft können die beiden Lagerstellen (unter technisch vorgegebenen Randbedingungen) möglichst weit auseinanderliegen, so dass eine besonders zuverläs- sige Führung erzielt wird.

Mit einem Schaltelement beziehungsweise einem Stufenschalter gemäß dem verbesser- ten Konzept werden aufgrund der verbesserten Führung der Betätigungsvorrichtung und des beweglichen Kontakts der Vakuumschaltröhre Schiefstellung und Versatz des beweg- lichen Kontakts verhindert beziehungsweise minimiert. Zudem wird eine Schiefstellung durch entsprechend schiefen Einbau der Vakuumschaltröhre bei der Montage des Stufen- schalters verhindert. Eine nachteilige Reduktion der dielektrischen Festigkeit wird somit verhindert. Durch die Vermeidung des schiefen Einbaus der Vakuumschaltröhre wird auch erreicht, dass Verspannungen der Vakuumschaltröhre vermieden werden. Außerdem kann ein mechanischer Verschleiß der Vakuumschaltröhre und der Betätigungsvorrich- tung reduziert werden. Werden Vakuumschaltröhren mit außenliegenden Balg eingesetzt, wird durch die Führungsvorrichtung außerdem der Balg vor mechanischen Beschädigun- gen und vor Überbeanspruchung geschützt.

BEZUGSZEICHEN

V Vakuumschaltröhre

S Schaltkammer

IK Isolierkörper

B Balg

K1 beweglicher Kontakt K2 fester Kontakt

ST Stößel

F Führungsvorrichtung

BZ Bolzen

AK Anschlusskontakt L Lagerbock

FL Führungslager

Fl Finger

R ringförmige Komponente H Betätigungshebel

01 , 02 Öffnungen

E Einsatz