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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät mit einer ersten Unterbrechereinheit
zum Unterbrechen und Verbinden einer elektrischen Leitung, insbesondere
ein luftisolierter Erdungsschalter. Weiterhin betrifft die Erfindung
ein Verfahren zum Schalten eines luftisolierten Erdungsschalters,
wobei am luftisolierten Erdungsschalter kein Lichtbogen aufgrund
eines Spannungsüberschlages
bzw. der Kontakttrennung entsteht.
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Herkömmliche
luftisolierte Erdungsschalter sind als Schwenk- oder als Schwenk-Schub-Erder ausgestaltet.
Beim Aufschalten einer Leitung oder einer Schaltanlage auf das Erdpotenzial
bzw. Abschalten vom Erdpotenzial erzeugen diese Einschaltvorgänge einen
kapazitiven und/oder einen induktiven Strom, der bei einem bestimmten
Abstand der Hauptkontakte des Erdungsschalters zueinander zu einem Lichtbogen
führen
kann. Da die Erdungsschalter zumeist in Freiluftanlagen betrieben
werden, stellt dieser offene Lichtbogen eine Gefahr für die in
der Anlage befindlichen Personen und elektrischen Geräte dar.
Bisher wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass ein Hilfskontakt mit
voraus- beziehungsweise nacheilender Funktion zum Hauptkontakt geschaltet wird.
Ausschließlich
am Hilfskontakt zündet
ein entstehender Lichtbogen. Hierdurch sind die Hauptkontakte des
luftisolierten Erdungsschalters vor der Lichtbogeneinwirkung geschützt. Nachteilig
hierbei ist, dass der dabei entstehende Lichtbogen weiterhin im
Freien entsteht und damit ein Sicherheitsrisiko darstellt.
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So
beschreibt die
DE
695 16 461 T2 einen mehrpoligen Mittelspannungsdrehlastschalter.
Die Drehkontakte des Lastschalters bewegen sich relativ zu den feststehenden
Kontakten innerhalb eines gasisolierten Raumes, wobei gleichzeitig über einen Umschaltfinger
ein elektrischer Kontakt zu einer in dem gasisolierten Raum angeordneten
Vakuumkammer hergestellt wird. Ein bezüglich der beweglichen Kontakte
entstehender Lichtbogen zu den feststehenden Kontakten wird mittels
der Schaltung der Vakuumkammer gelöscht und somit der Lichtbogen
umgeleitet.
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Des
Weiteren beschreibt die
DE
695 17 740 T2 einen elektrischen Mittelspannungsschalter.
Wie bei vorgenannten Druckschrift dient ein in einem gasisolierten
Schaltraum angeordnete Vakuumkammer zur Übernahme des Lichtbogens bezüglich eines Drehschalters,
wobei der Lichtbogen relativ zu den feststehenden Kontakten des
Drehschalters erstmalig entsteht.
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Des
Weiteren beschreibt die
DE
199 18 077 C1 einen Lastschalter, der im Nebenschluss zu
den Hauptkontakten eine im Gehäuse
angeordnete Vakuumschaltkammer aufweist, deren Schaltkontakt über eine
Schaltmechanik geschlossen und geöffnet werden. Die Schaltmechanik
schließt
die Schaltkontakte der Vakuumschaltkammer während des Einschaltvorganges,
wenn die Hauptkontakte noch eine gewisse Distanz voneinander aufweisen
und hierdurch ein Vorüberschlag
ausgeschlossen ist. Während
des Einschaltvorganges entstehende Funken- bzw. Lichtbögen werden
innerhalb der Vakuumschaltkammer gelöscht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein lichtbogenfreies Schalten
eines Hauptschalters zu gewährleisten.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruch 1, sowie des Anspruchs
11. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass im elektrischen Schaltgerät
mindestens eine zweite gekapselte Unterbrechereinheit parallel zur
ersten Unterbrechereinheit angeordnet ist und die beim Verbinden
oder Unterbrechen der elektrischen Leitung entstehenden Spannungsüberschläge als Lichtbögen in der
zweiten Unterbrechereinheit auftreten, wobei die zweite Unterbrechereinheit
beim Verbinden der elektrischen Leitung vor der ersten Unterbrechereinheit
und beim Unterbrechen der elektrischen Leitung nach der ersten Unterbrechereinheit
schaltbar ist. Durch die erfindungsgemäße Schaltanlage ist gewährleistet,
dass ein möglicher
Lichtbogen ausschließlich
in der zweiten Unterbrechereinheit auftritt und damit die erste Unterbrechereinheit
lichtbogenfrei schaltbar ist. Insbesondere für luftisolierte Erdungsschalter
als erste Unterbrechereinheit ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass
ein möglicher
Lichtbogen nicht an den Hauptkontakten des luftisolierten Erdungsschalters
auftritt und damit die Lebensdauer der Schaltanlage verlängert. Gleichzeitig
wird hierdurch das Sicherheitsrisiko aufgrund des Auftretens eines
Lichtbogens an dem luftisolierten Erdungsschalter als erste Unterbrechereinheit
im Freien minimiert.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Schaltanlage
ist vorgesehen, dass die zweite Unterbrechereinheit ein Leistungsschalter und/oder
ein Lastschalter und/oder ein Trennschalter und/oder eine Vakuumschaltkammer
und/oder ein Überspannungsableiter
ist, z. B. eine Funkenstrecke und/der ein Spannungsbegrenzer. Insbesondere
bei der Verwendung von gekapselten Schaltern als zweite Unterbrechereinheit
wird der Lichtbogen ausschließlich
in der geschlossenen Kammer der zweiten Unterbrechereinheit gezündet und
damit nach außen
abgeschirmt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass ein Trennschalter zwischen der ersten Unterbrechereinheit und
der zweiten Unterbrechereinheit angeordnet ist. Insbesondere für den Fall,
dass der Bemessungskurzschlussstrom für die erste Unterbrechereinheit größer als
der Bemessungskurzschlussstrom für
die zweite Unterbrechereinheit ist, muss die zweite Unterbrechereinheit
von der eingeschalteten ersten Unterbrechereinheit getrennt sein.
Diese elektrische Trennung gewährleistet
der Trennschalter.
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Ist
der Bemessungskurzschlußstrom
der gekapselten zweiten Unterbrechereinheit gleich oder größer der
ersten Unterbrechereinheit kann eine serielle Anordnung der beiden
Unterbechereinheiten zur Anwendung kommen.
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Die
zweite Unterbrechereinheit ist gemäß der vorliegenden Erfindung
an der an dem Schaltgerät
anliegenden Spannungspotentialseite, insbesondere der Hochspannungspotentialseite,
angeordnet. Vorteilhafterweise ist parallel und/oder seriell zur zweiten
Unterbrechereinheit mindestens eine weitere Unterbrechereinheit
zur Ableitung von Überspannungen
angeordnet. Insbesondere ist die dritte Unterbrechereinheit ein Überspannungsableiter,
eine Funkenstrecke, offen oder gekapselt oder sonstige Spannungsbegrenzer.
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Durch
den Überspannungsableiter
kann die Bemessungsspannung der zweiten Unterbrechereinheit kleiner
als die Bemessungsspannung der ersten Schaltkammer gewählt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltanlage
ist die zweite Unterbrechereinheit in einem Festkontakt eines luftisolierten Erdungsschalters
als erste Unterbrechereinheit integriert. Hierdurch ergibt sich
der Vorteil, dass bestehende Erdungsschaltanlagen mit einer entsprechenden
zweiten Unterbrechereinheit nachrüstbar sind.
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Mittels
einer Aufnahmevorrichtung stellt ein an einem beweglichen Hauptkontakt
befindlicher erste Teil des Trennschalters einen Kontakt zum zweiten Teil
des Trennschalters her. Durch die Ausnutzung der Bewegung des beweglichen
Hauptkontaktes des Erdungsschalters als erste Unterbrechereinheit
ist eine mechanisch/elektrische Kopplung mittels eines ersten Teils
des Trennschalters möglich.
Ein entsprechend ausgestalteter „Finger" greift in die Aufnahmevorrichtung und
stellt aufgrund des Bewegungsauflaufes des beweglichen Hauptkontaktes
eine Verbindung beim Einschalten bzw. beim Ausschalten her.
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Durch
die Bewegung des beweglichen Hauptkontaktes mittels des ersten Teils
des Trennschalters führt
die Aufnahmevorrichtung eine Rotationsbewegung aus. Kurz vor Erreichung
der Endstellung für
den geschalteten Zustand führt
der bewegliche Hauptkontakt eine Hubbewegung in den festen Hauptkontakt
aus. Dieser Bewegungsablauf des beweglichen Hauptkontaktes wird
dazu genutzt, die bestehende elektrische Verbindung zwischen den
beiden Teilen des Trennschalters wieder im eingeschalteten Zustand
zu unterbrechen. Zuvor ist durch die Rotations- und Hubbewegung
die Vakuumschaltkammer geschaltet worden. In der Endstellung des beweglichen
Hauptkontaktes im geschalteten Zustand ist damit die zweite Unterbrechereinheit
durch den geöffneten
Trennschalter wieder elektrisch von der Hauptstrombahn getrennt.
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Umgekehrt
wird bei der Ausschaltbewegung aufgrund der Senkbewegung des beweglichen Hauptkontaktes
relativ zum festen Hauptkontakt der erste Teil des Trennschalters über die
Aufnahmevorrichtung in Kontakt mit dem zweiten Teil des Trennschalters
gebracht und damit zuerst eine elektrische Verbin dung über die
Trennstelle erzeugt. Anschließend
wird die zweite Unterbrechereinheit geschaltet. Mit fortschreitender
Bewegung des beweglichen Hauptkontaktes und Entfernung vom festen
Hauptkontakt wird die Verbindung zwischen dem festen und dem beweglichen
Hauptkontakt lichtbogenfrei getrennt. Der erste Teil des Trennschalters
ist so dimensioniert, da bei einer genügenden Trennstrecke zwischen
den Hauptkontakten die Aufnahmevorrichtung aufgrund der Rotationsbewegung
anschließend die
zweite Unterbrechereinheit, z. B. eine Vakuumschaltkammer, öffnet. Ein
dabei entstehender Lichtbogen bleibt in der Kammer der zweiten Unterbrechereinheit.
Nach ausreichender Trennung der Kontakte der zweiten Unterbrechereinheit
und der Lichtbogenlöschung,
kann der Trennschalter stromlos ebenfalls geöffnet werden. Dieser Bewegungsablauf wird
durch die abgestimmte Geometrie und Auslegung des beweglichen Hauptkontaktes,
der Länge und
Anordnung des ersten Teils des Trennschalters, sowie der Konzeption
der Aufnahmevorrichtung gewährleistet.
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Vorteilhafterweise
ist die zweite Unterbrechereinheit parallel oder seriell mit der
ersten Unterbrechereinheit verbunden. Für den Fall einer seriellen
elektrischen Verbindung der ersten Unterbrechereinheit mit der zweiten
Unterbrechereinheit als Reihenschaltung ist zu beachten, dass die
Stromfestigkeiten der beiden Unterbrechereinheiten jeweils bezüglich der
maximalen Ströme
ausgelegt sein müssen.
Im Falle einer parallelen Anordnung der zweiten Unterbrechereinheit
relativ zur ersten Unterbrechereinheit kann die Stromfestigkeit
der zweiten Unterbrechereinheit kleiner als die erste Unterbrechereinheit
dimensioniert sein. Hierbei ist dann die Verwendung eines Trennschalters
zwischen der ersten und zweiten Unterbrechereinheit vorteilhaft.
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Erfindungsgemäß ist ebenfalls
ein Verfahren zum Schalten eines luftisolierten Erdungsschalters vorgesehen,
wobei der luftisolierte Erdungsschalter mit einer parallel zum luftisolierten
Erdungsschalter angeordneten zweiten Unterbrechereinheit verbunden
ist, wobei die zweite Unterbrechereinheit beim Verbinden der elektrischen
Leitung vor dem luftisolierten Erdungsschalter geschlossen und beim
Unterbrechen der elektrischen Leitung zuerst der luftisolierte Erdungsschalter
und erst anschließend
die zweite Unterbrechereinheit von der elektrischen Leitung getrennt
wird.
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Bei
der Verwendung einer Trennstelle als Verbindung zwischen dem luftisolierten
Erdungsschalter und der zweiten Unterbrechereinheit wird beim Einschaltvorgang
zuerst die Trennstelle, anschließend die zweite Unterbrechereinheit,
danach der luftisolierte Erdungsschalter geschlossen und bei hergestellter
Leitungsverbindung die Trennstelle wieder geöffnet. Beim Ausschaltvorgang
wird zuerst die geöffnete
Trennstelle geschlossen, danach der luftisolierte Erdungsschalter
geöffnet,
danach die zweite Unterbrechereinheit unter gegebenenfalls auftretender
Erzeugung eines Lichtbogens geöffnet
und nach der vollständigen
Trennung der elektrischen Leitung die Trennstelle wiederum geöffnet.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Einige
beispielhafte Ausgestaltungen werden anhand der Figuren erläutert. Es
zeigen:
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1 schematische
Seitenansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Schaltanlage;
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2 erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zum
lichtbogenfreien Einschalten eines luftisolierten Erdungsschalters;
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3 erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zum
lichtbogenfreien Ausschalten eines luftisolierten Erdungsschalters;
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4 Schaltungsbild
der erfindungsgemäßen Schaltanlage
mit einem parallel zur zweiten Unterbrechereinheit angeordneten Überspannungsableiter
als dritte Unterbrechereinheit.
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Die
Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines
luftisolierten Erdungsschalters 2 als erste Unterbrechereinheit
als Bestandteil eines elektrischen Schaltgerätes (nicht dargestellt). In
dem festen Hauptkontakt 4a des luftisolierten Erdungsschalters 2 ist
eine Vakuumschaltkammer 3 als zweite Unterbrechereinheit
integriert. Beim Schließen
der Hauptkontakte 4a, 4b des Erdungsschalters 2 als Verbindung
der Erdstrombahn mit der Spannungspotentialseite wird mittels der
Bewegungsenergie des bewegliche Hauptkontaktes 4b der Erdstrombahn eine
ebenfalls im festen Hauptkontakt 4a des luftisolierten
Erdungsschalters 2 befindliche Trennstelle 5a, 5b geschlossen.
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Ein
Ausleger 5a am beweglichen Hauptkontakt 4b rastet
während
der Rotationsbewegung des beweglichen Hauptkontaktes 4b beim
Einschaltvorgang in die Aufnahmevorrichtung 6 ein und stellt
somit eine elektrische Verbindung über die Trennstelle 5a, 5b her.
Durch die weitere Rotations- und anschließende Hubbewegung des beweglichen
Hauptkontaktes 4b wird anschließend die Vakuumschaltkammer 3 ebenfalls
geschlossen. Ein dabei entstehender Lichtbogen kann innerhalb der
Vakuumschaltkammer 3 gelöscht werden. Mit fortschreitender
Bewegung des beweglichen Hauptkontaktes 4b wird zwischen
dem festen Hauptkontakt 4a des luftisolierten Erdungsschalters 2 und
dem beweglichen Hauptkontakt 4b anschließend lichtbogenfrei
eine elektrische Verbindung hergestellt. Gleichzeitig wird mit dem
Einrasten des beweglichen Hauptkontaktes 4b aufgrund einer
Vertikalbewegung nach der Rotationsbewegung des beweglichen Hauptkontaktes 4b in
den festen Hauptkontakt 4a des luftisolierten Erdungsschalters 2 die
Trennstelle 5a, 5b mittels des Ausfahrens von 5a aus 5b wieder
geöffnet,
so dass die Hauptstrombahn ausschließlich über den luftisolierten Erdungsschalter 2 verläuft. Die
Trennstelle 5a, 5b trennt die Vakuumschaltkammer 3 von
der Erdstrombahn.
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Beim
Ausschaltvorgang wird aufgrund der Kinematik des beweglichen Hauptkontaktes 4b zuerst
wiederum die Trennstelle 5a, 5b aufgrund der Senkbewegung
des beweglichen Haupotkontaktes 4b geschlossen. Mit fortschreitender
Entfernung des beweglichen Hauptkontaktes 4b vom festen
Hauptkontakt 4a des luftisolierten Erdungsschalters verläuft der
elektrische Kontakt nunmehr ausschließlich über die Vakuumschaltkammer 3.
Nunmehr öffnet auch
die Vakuumschaltkammer 3 den Kontakt und löscht den
dabei entstehenden Lichtbogen ausschließlich innerhalb der Vakuumschaltkammer 3.
Mit fortschreitender Entfernung des beweglichen Hauptkontaktes 4b vom
festen Hauptkontakt 4a des luftisolierten Erdungsschalters 2 kann
nunmehr kein Lichtbogen zwischen den Hauptkontakten 4a, 4b entstehen,
so dass der luftisolierte Erdungsschalter 2 lichtbogenfrei
geschlossen und geöffnet
werden kann. Nachdem der luftisolierte Erdungsschalter 2 sowie die
Vakuumschaltkammer 3 stromlos sind, wird durch ein Ausfahren
des beweglichen Hauptkontaktes 4b ebenfalls die Trennstelle 5a, 5b geöffnet, so
dass nunmehr die Vakuumschaltkammer 3 sowie der luftisolierte
Erdungsschalter 2 vollständig getrennt und stromlos
sind.
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Die
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zum lichtbogenfreien
Einschalten eines luftisolierten Erdungsschalters 2 unter
Verwendung einer zusätzlichen
Trennstelle 5a, 5b. Die einzelnen Abbildungen
zeigen den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf
zum lichtbogenfreien Schalten des luftisolierten Erdungsschalters 2.
Im ausgeschalteten Zustand sind der luftisolierte Erdungsschalter 2 und
die zweite Unterbrechereinheit 3 als Vakuumschalter sowie
eine zwischen dem luftisolierten Erdungsschalter 2 und
der Vakuumschaltkammer 3 angeordnete Trennstelle 5a, 5b geöffnet. Beim
Einschaltvorgang wird nunmehr zuerst die Trennstelle 5a, 5b geschlossen
und anschließend
eine elektrische Verbindung der Leitung 7 über die
Vakuumschaltkammer 3 vorgenommen. Ein gegebenenfalls dabei
entstehender Lichtbogen wird innerhalb der Vakuumschaltkammer 3 gelöscht. Anschließend wird der
feste Hauptkontakt 4a des luftisolierten Erdungsschalters 2 geschlossen,
wobei hierbei nunmehr kein Lichtbogen entstehen kann. Mit der elektrischen
Verbindung der Hauptkontakte 4a, 4b des luftisolierten Erdungsschalters 2 wird
die Vakuumschaltkammer 3 anschließend von der elektrischen Leitung 7 mittels der
Trennstelle 5a, 5b getrennt.
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Die
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Ausschaltvorgang eines
lichtbogenfreien Schaltens eines luftisolierten Erdungsschalters 2 in
Verbindung mit einer Vakuumschaltkammer 3 als zweite Unterbrechereinheit
und einer Trennstelle 5a, 5b. Nach dem Schließen der
im Ausgangszustand geöffneten
Trennstelle 5a, 5b wird anschließend der
bewegliche Hauptkontakt 4b des luftisolierten Erdungsschalters 2 von
dem festen Hauptkontakt 4a entfernt. Die elektrische Verbindung
erfolgt in dieser Phase ausschließlich über die Vakuumschaltkammer 3 als zweite
Unterbrechereinheit. Anschließend
werden die Kontakte der Vakuumschaltkammer 3 ebenfalls geöffnet, so
dass ein gegebenenfalls entstehender Lichtbogen ausschließlich in der
Vakuumschaltkammer 3 zündet.
Mit fortschreitender Zeit ist der feste Hauptkontakt 4a des
luftisolierten Erdungsschalters 2 nunmehr soweit vom beweglichen
Hauptkontakt 4b entfernt, dass ein Zünden eines Lichtbogens in der Luft
zwischen den Hauptkontakten 4a, 4b aufgrund der
Trennstreckenentfernung nicht mehr möglich ist. Nach dem nun die
Vakuumschaltkammer 3 und die Hauptkontakte 4a, 4b des
luftisolierten Erdungsschalters 2 getrennt sind, wird auch
die Trennstelle 5a, 5b geöffnet, so dass die elektrische
Verbindung nunmehr aufgehoben ist.
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Vorteilhaft
ist dabei, dass die Kinematik in der Hauptstrombahn dazu benutzt
wird, den entsprechenden Schaltvorgang vorzunehmen. Die Bewegung
des beweglichen Hauptkontaktes 4b wird für die aufzuwendende
Kraft zum Schließen
oder Öffnen der
Trennstelle 5a, 5b und der Vakuumschaltkammer 3 als
zweite Unterbrechereinheit genutzt. Die Vakuumschaltkammer 3 braucht
dabei keine eigene Energieversorgung und es ist ebenfalls keine
Hilfsstrombahn parallel zur Erderstrombahn notwendig.
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Die
Figur 4 zeigt ein Schaltungsbild der erfindungsgemäßen Schaltanlage 1 mit
einem parallel zur zweiten Unterbrechereinheit 3 angeordneten Überspannungsableiter
als dritte Unterbrechereinheit 8. Die parallel zum Erdungsschalter 2 als
erste Unterbrechereinheit angeordnete Vakuumschaltkammer 3 als
zweite Unterbrechereinheit wird zusätzlich durch die dritte Unterbrechereinheit 8 als
Funkenstrecke geschützt
und bezüglich
der Spannung begrenzt. Hierdurch kann die Vakuumkammer 3 bezüglich der Spannungs-
und Stromfestigkeit kleiner als der Erdungsschalter 2 dimensioniert
werden. Ebenso können
weitere Unterbrechereinheiten (nicht dargestellt) zusätzlich parallel
und/oder seriell bezüglich
der Vakuumschaltkammer 3 in der elektrischen Schaltanlage 1 angeordnet
sein.