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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Hochspannungsschalteinheit mit
einem Schaltwiderstand.
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Derartige
Hochspannungsschalter umfassen eine Nennstromschalteinrichtung mit
einem ersten Nennstromkontakt und einem zweiten Nennstromkontakt,
wobei wenigstens einer der Kontakte relativ zum Anderen in einer
Schließrichtung
der Schalteinheit beweglich angeordnet ist. Weiterhin umfassen sie
eine zur Nennstromschalteinrichtung elektrisch parallele Hilfsschalteinrichtung
mit einem Schaltwiderstand, einem ersten Hilfskontakt und einem
mit dem Schaltwiderstand elektrisch verbundenen zweiten Hilfskontakt.
Der erste Hilfskontakt ist mit dem ersten Nennkontakt mechanisch
gekoppelt, während der
zweite Hilfskontakt mit dem zweiten Nennstromkontakt mechanisch
gekoppelt ist. Die Schaltfolge der Nennstromschalteinrichtung und
der Hilfsschalteinrichtung ist so, dass die Hilfsschalteinrichtung beim
Einschalten vor der Nennstromschalteinrichtung schließt und beim
Ausschalten vor der Nennstromschalteinrichtung trennt. Beispiele
für solche Hochspannungsschalter
sind in
US 4,103,130 und
in
US 4,421,962 beschrieben.
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US 4,103,130 beschreibt
einen Hochspannungsleistungsschalter, bei dem die Nennstromschalteinrichtung
und die Hilfsstromschalteinrichtung mit dem Schaltwiderstand als
separate Komponenten ausgebildet sind, welche über ein Getriebe miteinander
gekoppelt sind. Diese Ausgestaltung erfordert einen nicht unerheblichen
mechanischen Aufwand, um zu gewährleisten,
dass die den Schaltwiderstand umfassende Hilfsschalteinrichtung
vor der Nennstromschalteinrichtung schließt bzw. trennt. Eine derartige
Anordnung nimmt zudem relativ viel Raum in Anspruch.
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Ein
platzsparenderer Hochleistungsschalter ist in
US 4,421,962 beschrieben. Dort ist
der Schaltwiderstand an dem beweglichen Kontakt abgewandten Ende
des stationären
Kontaktes der Nennstromschalteinrichtung angeordnet. Er ist gegen
den Nennstromkontakt isoliert und mit dem Hilfskotakt elektrisch
leitend verbunden. Dadurch ist es möglich, den Schalter kompakter
auszugestalten als mit der in
US
4,103,130 beschriebenen Anordnung. Um zu gewährleisten,
dass die Hilfsschalteinrichtung vor der Nennstromschalteinrichtung
schließt,
ist der Hilfskontakt der stationären
Kontakteinheit dem stationären
Nennstromkontakt in Richtung auf die bewegliche Kontakteinheit vorgelagert.
Dieser schließt
mit dem Hilfskontakt der beweglichen Kontakteinheit, bevor die Nennstromkontakte
der beiden Einheiten schließen
und stellt somit sicher, dass zuerst die Hilfsstromstrecke schließt. Der
beschriebene Hochspannungsschalter umfasst außerdem eine Lichtbogenschalteinrichtung,
deren Kontakte in den beiden Kontaktelementen derart angeordnet
sind, dass sie nach den Kontakten der Hilfsschalteinrichtung und vor
den Kontakten der Nennstromschalteinrichtung schließen. Im
weiteren Verlauf des Schaltvorganges schließt also die Lichtbogenschalteinheit,
bevor schließlich
die Nennstromschalteinheit schließt. Beim Schließen der
Nennstromschalteinheit wird die Hilfsschalteinheit kurzgeschlossen,
so dass der Strom nun durch die Nennstromschalteinheit fließt. Beim Öffnendes
Hochspannungsschalters trennen zuerst die Kontakte der Hilfsschalteinrichtung,
dann die Kontakte der Nennstromschalteinrichtung, bevor schließlich die
Kontakte der Lichtbogenschalteinrichtung trennen.
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Im
Lichte des beschriebenen Standes der Technik ist es Aufgabe der
Erfindung, eine vorteilhafte Hochspannungsschalteinheit zur Verfügung zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Hochspannungsschalteinheit nach Anspruch
1 gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
enthalten vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung.
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Eine
erfindungsgemäße Hochspannungsschalteinheit
umfasst eine Nennstromschalteinrichtung mit einem ersten Nennstromkontakt und
einem zweiten Nennstromkontakt, wobei wenigstens einer der Kontakte
relativ zum Anderen in einer Schließrichtung beweglich angeordnet
ist. Sie umfasst weiterhin eine zur Nennstromschalteinrichtung elektrisch parallel
geschaltete Hilfsschalteinrichtung mit einem Schaltwiderstand, einem
ersten Hilfskontakt und einem mit dem Schaltwiderstand elektrisch
leitend verbundenen zweiten Hilfskontakt. Währende der erste Hilfskontakt
mit dem ersten Nennkontakt gekoppelt ist, ist der zweite Hilfskontakt
mit dem zweiten Nennstromkontakt gekoppelt. Der erste und der zweite Hilfskontakt
bestehen wenigstens teilweise aus einem abbrandfesten Material und
sind derart relativ zu einander angeordnet, dass selbst im geschlossenen Schaltzustand
ein Spalt zwischen Ihnen verbleibt. Zudem ist der erste Hilfskontakt
dem ersten Nennkontakt im Schließrichtung vorgelagert. Ebenso
ist der zweite Hilfskontakt dem zweiten Nennkontakt im Schließrichtung
vorgelagert.
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Da
zwischen den Hilfskontakten selbst im geschlossenen Schaltzustand
ein kleiner Spalt verbleibt, erfolgt der Stromfluss zwischen diesen
beiden Kontakten nur über
einen Lichtbogen, der sich ausbildet, wenn sich die Hilfskontakte
beim Schließvorgang
einander annähern.
Sobald sich beim Schließvorgang
der Lichtbogen beim so genannten Vorüberschlag zwischen den beiden
abbrandfesten Hilfskontakten ausbildet, ist der Stromkreis über die
Schaltstrecke mit dem Schaltwiderstand geschlossen. Sobald im weiteren
Verlauf des Schaltvorganges der elektrisch leitende Kontakt zwischen
den Nennstromkontakten hergestellt wird, bricht der Lichtbogen aufgrund
des deutlich geringeren Widerstands der Nennstromschaltstrecke zusammen,
so dass der Strom nun nur noch durch die Nennstromschaltstrecke
fließt.
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Da
der elektrische Kontakt zwischen den vorstehenden Kontakten der
Hilfsschalteinrichtung in der erfindungsgemäßen Hochspannungsschalteinheit über den
im Rahmen des Vorüberschlags
entstehenden Lichtbogen, also berührungslos, erfolgt, blockiert
er nicht den elektrischen Kontakt zwischen den Kontakten der Nennstromschalteinrichtung.
Wenn dagegen wie im Stand der Technik ein metallischer Kontakt zwischen
vorstehenden Kontakten den Stromfluss durch die Hilfsschalteinrichtung
tragen soll, so muss einer der Kontakte, wie im
US 4,421,962 beweglich angeordnet
sein, oder der metallische Kontakt zwischen den beiden Hilfskontakten müsste über einen
Schleifkontakt erfolgen, was zu Abrieb und damit zur Schwächung des
Kontaktes mit zunehmender Benutzung führen würde, sofern die Schwächung des
Kontaktes nicht durch aufwändige mechanische
Mittel kompensiert werden würde.
Die erfindungsgemäße Hochspannungsschalteinheit weist
daher gegenüber
den im Stand der Technik gebräuchlichen
Schalteinheiten eine vereinfachte Bauweise auf. Außerdem können im
Erfindungsgemäßen Hochspannungsschalter
die Kontakte der Hilfsschalteinrichtung relativ zu den Kontakten
der Nennstromschalteinrichtung unbeweglich angeordnet sein. Insbesondere
kann der erste Hilfskontakt in den ersten Nennkontakt integriert
sein.
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Der
zweite Hilfskontakt und der zweite Nennstromkontakt können durch
einen Raum voneinander getrennt sein. Der Raum bildet dann Aufnahme
für den
ersten Nennstromkontakt im geschlossenen Zustand der Nennstromschalteinrichtung.
Der erste Hilfskontakt erstreckt sich wenigstens teilweise über diejenige
Seite des ersten Nennstromkontaktes, die im geschlossenen Zustand
der Nennstromschalteinrichtung dem zweiten Hilfskontakt zugewandt
ist. Auf diese Weise lässt
sich eine äußerst platzsparenden Anordnung
der Hilfskontakte in der Hochspannungsschalteinrichtung realisieren.
Der Raum kann hierbei auch als Ringraum ausgebildet sein, wenn der
zweite Hilfskontakt den zweiten Nennstromkontakt koaxial umgibt.
Auf diese Weise kann eine große
Kontaktfläche
sowohl der Hilfskontakteinrichtung als auch der Nennstromkontakteinrichtung
realisiert werden.
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Für die Anordnung
des Schaltwiderstandes in der erfindungsgemäßen Hochspannungsschalteinheit
gibt es mehrere Möglichkeiten.
Der Schaltwiderstand kann beispielsweise zu einer sich an den zweiten
Nennstromkontakt elektrisch anschließenden Nennstrombahn räumlich parallel
angeordnet sein. Insbesondere kann er die Nennstrombahn koaxial umgeben.
In einer alternativen Ausgestaltung ist der Schaltwiderstand als
separate Baugruppe ausgebildet. Diese ist an einem Ende der Hochspannungsschalteinheit
angeordnet, die demjenigen Ende gegenüberliegt, in dem eine Antriebseinrichtung
zum Antreiben der Nennstromschalteinrichtung und der Hilfsschalteinrichtung
angeordnet ist. Mit beiden Alternativen lassen sich kompakte Hochspannungsschalteinheiten
realisieren.
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Die
erfindungsgemäße Hochspannungsschalteinheit
kann zusätzlich
zu der Nennstromschalteinrichtung und der Hilfsschalteinrichtung
eine Lichtbogenschalteinrichtung umfassen, die mit einem ersten
Lichtbogenkontakt und einem zweiten Lichtbogenkontakt ausgestattet
ist, wobei wenigstens einer der beiden Kontakte relativ zum anderen
in Schließrichtung
des Schalters beweglich angeordnet ist. Eine Antriebseinrichtung
der Hochspannungsschalteinheit ist dann derart ausgestaltet, dass
die Kontakttrennung in der Nennstromschalteinrichtung immer vor
der Kontakttrennung in der Lichtbogenschalteinheit erfolgt. Da im
erfindungsgemäßen Hochspannungsschalter
der erste Hilfskontakt und der zweite Hilfskontakt in einer räumlich fixen
Beziehung zum ersten Nennstromkontakt bzw. zweiten Nennstromkontakt
angeordnet sein können,
kann mit dieser Ausgestaltung mit einfachen Mitteln erreicht werden,
dass sowohl die Nennstromschalteinrichtung als auch die Hilfsschalteinrichtung
immer vor der Lichtbogenschalteinrichtung den Kontakt trennen.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Hochspannungsschalteinheit
in einem schematischen Längsschnitt.
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Die 2 bis 6 zeigen
stark schematisiert verschiedene Schaltstellungen der in 1 gezeigten
Hochspannungsschalteinheit.
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In 1 ist
als ein Ausführungsbeispiel
für die
erfindungsgemäße Hochspannungseinheit
ein Ausschnitt aus einem Hochspannungs-Leistungsschalter 1 gezeigt.
Dieser umfasst eine erste Kontaktanordnung 3 und eine zweite
Kontaktanordnung 5, die beide in einem von einem Gehäuse 7 begrenzten Expansionsraum 9 angeordnet
sind. Stirnseitig wird der Expansionsraum 9 von Kontaktplatten
begrenzt, die in der Figur nicht dargestellt sind.
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Die
erste Kontaktanordnung 3 ist beweglich im Expansionsraum 9 angeordnet
und umfasst einen ersten Nennstromkontakt 11, einen ersten
Hilfskontakt 13 sowie einen ersten Lichtbogenkontakt 15.
Der erste Nennstromkontakt 11 ist als ein Hohlzylinder ausgebildet.
An seinem der zweiten Kontaktanordnung 5 zugewandten Ende
ist der erste Hilfskontakt 13 angeordnet, wobei der der
zweiten Kontaktanordnung zugewandte Stirnabschnitt 17 des
Hohlzylinders vollständig
vom ersten Hilfskontakt 13 gebildet ist. An diesen Stirnabschnitt 17 schließt sich
ein weiterer Abschnitt des ersten Hilfskontaktes 13 an,
welcher sich von Außenseite 16 des
Hohlzylinders aus etwa über
dessen halbe Materialstärke
erstreckt. Die Innenseite 18 des Hohlzylinders ist bis
auf den Stirnabschnitt 17 vollständig vom ersten Nennstromkontakt 11 gebildet.
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In
der Nähe
zum Stirnabschnitt 17 weist der erste Nennstromkontakt 11 einen
Kontaktwulst 19 auf, der sich in Umfangsrichtung über die
Innenseite 18 des Hohlzylinders erstreckt. Der erste Hilfskontakt 13 unterscheidet
sich vom ersten Nennstromkontakt 11 lediglich dadurch,
dass er aus einem abbrandfesten Material hergestellt ist. Elektrisch
bilden der erste Nennstromkontakt 11 und der erste Hilfskontakt 13 eine
Einheit.
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Koaxial
zu dem vom ersten Nennstromkontakt 11 und dem ersten Hilfskontakt 13 gebildeten Hohlzylinder
ist in dessem Inneren der erste Lichtbogenkontakt 15 angeordnet.
Zur Lenkung eines Löschgasstromes,
beispielsweise eines Schwefelhexafluoridstromes (SF6),
ist eine Isolierstoffdüse 21 vorhanden.
Diese bildet einen dem ersten Lichtbogenkontakt 15 in Richtung
auf die zweite Kontaktanordnung 5 vorgelagerten Lichtbogenraum 23.
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Die
zweite Kontaktanordnung 5 umfasst einen zweiten Nennstromkontakt 25,
einen zweiten Hilfskontakt 27 sowie einen zweiten Lichtbogenkontakt 29,
während
der zweite Nennstromkontakt 25 und der zweite Hilfskontakt 27 als
stationär
im Expansionsraum 9 angeordnete Hohlzylinder ausgebildet sind,
ist der zweite Lichtbogenkontakt 29 als in Axialrichtung
A verschiebbarer Stift (Pin) ausgebildet. Zwischen dem zweiten Nennstromkontakt 25 und
dem zweiten Hilfskontakt 27 befindet sich ein Ringraum 33,
welcher eine Aufnahme für
den ersten Nennstromkontakt 11 bzw. den ersten Hilfskontakt 13 bildet.
Der Stirnabschnitt 31 und ein sich daran anschließender Abschnitt 32 der
Innenfläche 34 des den
zweiten Hilfskontakt 27 bildenden Hohlzylinders ist aus
einem abbrandfesten Material hergestellt. Der Abschnitt 32 erstreckt
sich etwa bis zur halben Materialstärke durch die Zylinderwand.
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Der
Hochspannungs-Leistungsschalter 1 umfasst als eine weitere
Komponente einen Einschaltwiderstand. Dieser kann sich beispielsweise axial
an die zweite Kontaktanordnung 5 anschließen, wobei
er mit dem zweiten Hilfskontakt 27 elektrisch leitend verbunden
ist und zum zweiten Nennstromkontakt 25 parallel geschaltet
ist. Der Einschaltwiderstand kann jedoch auch wie in 1 dargestellt
in den Zylinder des zweiten Hilfskontaktes 27 integriert sein.
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Die
Anordnung des zweiten Nennstromkontaktes 25, des zweiten
Hilfskontaktes 27 und des zweiten Lichtbogenkontaktes 29 in
der zweiten Kontaktanordnung ist derart, dass der zweite Nennstromkontakt 25 in
Richtung auf die erste Kontaktanord nung 3 über den
zweiten Lichtbogenkontakt 29 vorsteht, während der
zweite Hilfskontakt 27 über
den zweiten Nennstromkontakt 25 vorsteht. In der ersten Kontaktanordnung 3 steht
der den ersten Nennstromkontakt 11 und den ersten Hilfskontakt 13 bildenden
Zylinder in Richtung auf die zweite Kontaktanordnung 5 über den
ersten Lichtbogenkontakt 15 vor.
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Die 2 bis 6 zeigen
den mit Bezug auf 1 beschriebenen Hochspannungs-Leistungsschalter
in verschiedenen Schaltzuständen.
So zeigt 2 den Schalter in der Schaltstellung „Aus", 3 in
der Schaltstellung „Vorüberschlag", 4 in der
Schaltstellung „Kontaktgabe
Nennstromsystem", 5 in
der Schaltstellung „Ein" und 6 in
der Schaltstellung „Kontakttrennung
Nennstromsystem und Einschaltwiderstand".
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Wenn
die bewegliche erste Kontaktanordnung 3 in Richtung auf
die zweite Kontaktanordnung 5 bewegt wird und die in 3 dargestellte
Schaltstellung „Vorüberschlag" erreicht ist, bildet
sich zwischen den Stirnabschnitten 17, 31 der
Hilfskontakte 13, 27 ein Lichtbogen aus, der beide
Stirnabschnitte 17, 31 elektrisch leitend miteinander
verbindet. Von diesem Moment an ist das den Einschaltwiderstand beinhaltende
Hilfsstromsystem des Hochspannungs-Leistungsschalters 1 geschlossen,
und der gesamte Strom fließt
durch den Einschaltwiderstand, wodurch Überspannungen einer ungeladenen
oder einer (von einer vorausgehenden Ausschaltung) noch geladenen
Hochspannungsleitung gedämpft werden.
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Wenige
Millisekunden nach dem „Vorüberschlag" nimmt der Hochspannungs-Leistungsschalter 1 die
Schaltstellung „Kontaktgabe
Nennstromsystem",
die in 4 dargestellt ist, ein. Die Kontaktgabe des Nennstromsystems
wird durch den Moment des ersten metallischen Kontaktes zwischen
dem Kontaktwulst 19 und dem zweiten Nennstromkontakt 25 definiert.
In dieser Schaltstellung verbleibt ein Spalt zwischen dem ersten
und dem zweiten Hilfskontakt 17, 31. Aufgrund
des im Vergleich zum Hilfsstromsystem sehr viel niedrigeren elektri schen
Widerstandes im Nennstromsystem bricht der Lichtbogen über diesen
Spalt 37 zusammen, so dass der Strom nicht mehr über das
Hilfsstromsystem fließt. Gleichzeitig
mit der Kontaktgabe im Nennstromsystem erfolgt auch eine Kontaktgabe
der Lichtbogenkontakte 15, 29 im Lichtbogensystem.
Der Strom wird im Hochspannungs-Leistungsschalter 1 daher
vom Nennstromsystem zusammen mit dem Lichtbogensystem getragen.
Das Lichtbogensystem hat im Unterschied zum Lichtbogensystem im
eingangs genannten Stand der Technik jedoch beim Einschaltvorgang
keine Aufgabe.
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Während des
Einschaltvorganges bewegt sich der zweite Lichtbogenkontakt 29 von
einem (nicht dargestellten) Antriebsmechanismus angetrieben in Richtung
auf die erste Kontaktanordnung 3 zu. Auf diese Weise steht
er in der Schaltstellung „Ein", die in 5 dargestellt
ist, über
den zweiten Hilfskontakt 27 sowie über den zweiten Nennstromkontakt 25 vor.
Diese Stellung wird während
des Ausschaltvorganges zumindest so lange beibehalten, bis die Schaltstellung „Kontakttrennung
Nennstromsystem und Einschaltwiderstand" (6) erfolgt.
Auf diese Weise wird der metallische Kontakt zwischen dem ersten
Lichtbogenkontakt 15 und dem zweiten Lichtbogenkontakt 29 nach
dem metallischen Kontakt zwischen dem ersten Nennstromkontakt 11 und
dem zweiten Nennstromkontakt 25 getrennt. Im Moment der
Kontakttrennung zwischen dem ersten Lichtbogenkontakt 15 und
dem zweiten Lichtbogenkontakt 29 sind der erste Hilfskontakt 13 und
der zweite Hilfskontakt 27 bereits soweit von einander
entfernt, dass sich der Ausschaltlichtbogen nur zwischen den beiden
Lichtbogenkontakten 15, 29, nicht aber zwischen den
Hilfskontakten 13, 27 ausbildet. Zum Löschen des
Lichtbogens wird dieser dann im Lichtbogenraum 23 mit Löschgas beblasen.
Im weiteren Verlauf des Ausschaltvorganges wird der zweite Lichtbogenkontakt 29 dann
wieder zurückgezogen,
so dass er sich vollständig
im vom ersten Nennstromkontakt 25 umschlossenen Zylindervolumen
befindet.
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Mit
der mit Bezug auf die 1 bis 6 beschriebenen
Hochspannungsschalteinheit 1 lässt sich im Vergleich zum Stand der
Technik die Zahl der Bauteile reduzieren, wodurch sich eine Kostenreduktion
in der Herstellung erzielen lässt.