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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Schaltpol für ein Hochspannungsnetz
der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegebenen Art.
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Ein
derartiger Schaltpol ist z. B. in der
US 5729888 bereits
offenbart, wobei die Schalteinrichtung im Schaltpolgehäuse
eine Vakuumschaltröhre ist. Diese Vakuumschaltröhre
ist in einer oberen Hohlkammer des in montiertem Zustand stehend
angeordneten Schaltpolgehäuses angebracht, wobei die Festkontaktseite
oben und die Bewegkontaktseite unten liegt. Auf der Festkontaktseite
ist der Festkontakt der Vakuumschaltröhre leitend mit einem
Eingangsanschlussstück verbunden, das koaxial zur Mittellängsachse
des Schaltpolgehäuses verläuft und mit einem zum
Leitungsanschluss dienenden Gewindestück aus dem oberen
Ende des Gehäuses heraussteht. Am unteren Ende ragt aus
der Vakuumschaltröhre ein Führungsrohr heraus,
das mit dem beweglichen Kontakt der Schaltröhre gekoppelt
ist und eine Mittelöffnung in einem topfförmigen
Sammelring eines seitlich aus dem Gehäuse herausstehenden
Abgangsanschlussstücks durchsetzt. Der Bewegkontakt ist
unter axialer Koppelung mit einer isolierten Schaltstange verbunden,
die im oberen Endbereich ständig leitend mit dem Abgangsanschlussstück
verbunden ist. Zum Ein- bzw. Ausschalten der Schaltröhre
lässt sich die Schaltstange z. B. durch einen Nockenmechanismus
nach oben bzw. unten verstellen, wobei die Kontakte der Vakuumschaltröhre
aufeinandergedrückt bzw. auseinanderbewegt werden. Zur
laufenden Überwachung des Schaltzustandes bzw. des Betriebs
sind am Schaltpolgehäuse ein Stromsensor und ein Spannungssensor
angeordnet. Der ringförmige Stromsensor umschließt
das Eingangsanschlussstück und ist so mit im oberen Endbereich
des Schaltpolgehäuses angeordnet. Demgegenüber
ist der stabförmige Spannungssensor unterhalb des seitlich
im Mittelbereich des Schaltpolgehäuses angeordneten Abgangsanschlussstücks
in die Rohrwand integriert, welche den unteren Längenbereich
der Hohlkammer an ihrem Umfang begrenzt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schaltpol der
im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegebenen Art mit einer hohen Durchschlagsicherheit
bei einer kombinierten Anordnung von Strom- und Spannungssensor
anzugeben.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen von
Patentanspruch 1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Der
Schaltpol für ein Hochspannungsnetz umfasst ein Schaltpolgehäuse
aus festem Isolierstoff, in dem eine Schalteinrichtung mit Fest-
und Bewegkontakt angeordnet ist, deren Bewegkontakt über den
richtungsumkehrbaren Vorschub einer Schaltstange zwischen der ein-
und der ausgeschalteten Stellung bewegbar ist, wobei in der Einschaltstellung mittels
der Schalteinrichtung ein Eingangsanschlussstück auf der
Festkontaktseite elektrisch leitend mit einem Abgangsanschlussstück
auf der Bewegkontaktseite verbunden ist. Der Schaltpol umfasst darüber
hinaus eine Sensoranordnung, die einen Strom- und einen Spannungssensor
aufweist. Erfindungsgemäß sind der Stromsensor
und der Spannungssensor an der Umfangswand des Schaltpolgehäuses
an einem zugeordneten Anschlussstück angeschlossen, wobei
der Stromsensor in einem Teilentladungen verhindernden Umfangsabstand
zum Spannungssensor an der Umfangswand des Schaltpolgehäuses
angeordnet ist.
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Durch
die gemeinsame Anordnung von Strom- und Spannungssensor an einem
der Anschlussstücke, insbesondere am Abgangsanschlussstück,
kann bei ausgeschalteter Vakuumschaltröhre z. B. ein Kurzschluss
im an das Abgangsanschlussstück angeschlossenen Netzbereich
festgestellt werden. Dabei liegen das Hochspannungspotential des Spannungssensors
und das Erdpotential des Stromsensors insbesondere durch den zwischen
den Sensoren vorgesehenen Umfangsabstand räumlich derart
auseinander, das inhomogene Feldverläufe und örtliche Überschreitungen
der Durchschlagfeldstärke des Isoliermaterials und somit
Teilentladungen sicher vermieden sind. Mit anderen Worten: Die gleichzeitig an
eines der Anschlussstücke des Schaltpols angeschlossenen
Strom- und Spannungssensoren sind derart zueinander beabstandet
und an die Umfangswand angeordnet, dass eine hohe Durchschlagsicherheit
der Isolierung sichergestellt ist.
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Der
dem Anschlussstück zusätzlich zugeordnete Spannungssensor
oder Stromsensor kann ggf. der vom anderen Anschlussstück
verlegte Spannungssensor bzw. Stromsensor sein. Alternativ kann aber
auch beiden Anschlussstücken ein Spannungssensor oder ein
Stromsensor zugeordnet werden, falls die Strommessung weiterhin
auch am anderen Anschlussstück erfolgen soll.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung der Sensoren wird
erreicht, dass die an einem gemeinsamen Anschlussstück
anliegenden Potentiale von Spannungs- und Stromsensor räumlich
besser ausgesteuert bzw. abgesteuert werden. Wegen des Versatzes
in Umfangsrichtung des Schaltpolgehäuses ergibt sich neben
der räumlichen Entzerrung der Sensoren unweigerlich auch
eine feldtechnische Optimierung des dem Anschlussstück
zugeordneten Sensorpaars.
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Wenn
der Schaltpol nur mit einem Spannungs- und einem Stromsensor versehen
ist, lassen sich diese Sensoren vorzugsweise um 180 Grad oder in
einem anderen vorgebbaren Winkel versetzt am Umfang des Schaltpolgehäuses
anordnen, was im Hinblick auf die Vermeidung von Teilentladungen
besonders sicher ist.
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Falls
dieser Umfangsversatz von 180 Grad nicht möglich ist, sollte
der Stromsensor gegenüber dem Spannungssensor um einen
Winkel von mindestens 90 Grad versetzt an der Umfangswand des Schaltpolgehäuses
angeordnet sein. Hierdurch kann bei Schaltpolen unter in Hochspannungsnetzen üblichen
Bedingungen noch eine TE-freie Anordnung (TE = Teilentladungen)
des Sensorpaars erreicht werden. Dieser Umfangsversatz um einen
Winkel von 90 Grad lässt sich selbst dann noch einhalten, wenn
der Schaltpol an seiner Umfangswand neben dem Stromsensor noch zwei
Spannungssensoren aufweist, die diametrisch angeordnet sind.
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Aufgrund
ihrer länglichen Form lässt sich der Spannungssensor
oder lassen sich die beiden Spannungssensoren z. B. durch Einbetten
bzw. Eingießen jeweils in einen zugeordneten Bereich der
Umfangswand des Schaltpols integrieren. Vorteilhaft werden die Spannungssensoren
dabei so angebracht, dass die konstruktiv festgelegte Isolationswanddicke
des Schaltpolgehäuses auch zwischen Sensor und Hohlraum
gegeben ist.
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Um
dies bei möglichst geringer und gleichmäßiger
Wanddicke des Schaltpolgehäuses zu ermöglichen,
sind die Spannungssensoren jeweils in einen Gehäusesteg
integriert, der tunnelartig erhaben entlang dem Außenumfang
des Gehäuses verläuft. Vorzugsweise ist die Länge
des Gehäusestegs dabei so bemessen, dass auch die angeschlossene Sensorleitung
mit einem Längenabschnitt in den Gehäusesteg integriert
sein kann.
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Wenn
das Anschlussstück mit dem Sensorenpaar radial vom Schaltpol
absteht, lässt sich der Stromsensor vorzugsweise in einem
Abstand zur Umfangswand des Schaltpols in ein das Anschlussstück
isolierendes Abzweigrohr des Schaltpolgehäuses integrieren.
Die zugehörige Sensorleitung des Stromsensors kann dabei
vorteilhaft in einen weiteren erhabenen Gehäusesteg integriert
sein, der vom Abzweigrohr zum Fuß des Schaltpols verläuft.
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In
zum Gehäusesteg ähnlicher Weise kann auch die
Sensorleitung des Spannungssensors in einem durch den Versatz zum
Stromsensor bedingten Umfangsabschnitt in einen Ringwulst des Schaltpolgehäuses
integriert sein, der sich unter etwa viertelkreisförmiger
Krümmung zwischen dem Gehäusesteg des Spannungssensors
und dem Abzweigrohr erstreckt.
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Vorzugsweise
ist der Spannungssensor über eine etwa rechtwinklig abgebogene
Sensorleitung an das Hochspannungspotential der Bewegkontaktseite angeschlossen.
Die Sensorleitung kann dabei aus einer Litze bestehen, die in einem
unter einem Winkel von 90 Grad abgebogene Schutzrohr geführt
ist. Alternativ kann die Sensorleitung des Spannungssensors aus
einem entsprechend abgebogenen Drahtleiter bzw. Drahtbügel
bestehen.
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Eine
möglichst gleichmäßige Wanddicke des Schaltpolgehäuses
mit erhabener Einbettung von Sensoren und ggf. Sensorleitungen wirkt
sich vorteilhaft auf den Materialverbrauch bei der Herstellung des
Gehäuses aus. Zudem kann die Wärmeabfuhr bei starker
Wärmebelastung des Schaltpols problemloser erfolgen.
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Weitere
zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter
Bezug auf die Figuren der Zeichnungen, wobei einander entsprechende
Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
Mittellängsschnitt durch einen Schaltpol, der mit einer
Sensoranordnung versehen ist,
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2 einen
Mittellängsschnitt durch den Schaltpol mit einem gegenüber
dem von 1 um 90 Grad gedrehten Schnittverlauf,
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3 eine
perspektivische Schrägansicht von außen auf den
Schaltpol,
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4 eine
perspektivische Frontalansicht auf die Abgangsanschlussseite des
Schaltpols und
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5 einen
Horizontalschnitt durch den Schaltpol auf Höhe seines seitlichen
Abgangsanschlussstücks.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
ein stehend angeordneter Schaltpol 1 im Schnitt gezeigt,
der als Schaltstelle in einem üblichen Hochspannungsnetz
dienen soll. Der Schaltpol 1 weist ein Hochspannung abschirmendes Schaltpolgehäuse 2 auf,
das aus festem Isolierstoff besteht und z. B. aus Kunstharz gegossen
ist. Dieses Schaltpolgehäuse 2 ist insgesamt rohrförmig
ausgebildet, wobei der Hohlquerschnitt der als Rohrwand ausgebildeten
Umfangswand 3 von oben nach unten mehrstufig vergrößert
ist. So umschließt die Umfangswand 3 im am stärksten
verjüngten oberen Bereich formschlüssig ein Eingangsanschlussstück 4, das
mit einem Gewindezapfen aus dem Schaltpolgehäuse 2 heraussteht.
An dieses Anschlussstück 4 lässt sich
die einspeisende Stromleitung anschließen.
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Daran
anschließend ist der Hohlquerschnitt der Umfangswand 3 zu
einer zylindrischen Hohlkammer erweitert, die sich etwa bis zur
Höhenmitte der Umfangswand 3 erstreckt. In diese
Hohlkammer ist mittels einer geeigneten Vergussmasse eine Vakuumschaltröhre 5 unbeweglich
angebracht, die koaxial zur Mittellängsachse 6 angeordnet
ist. Die Vakuumschaltröhre 5 umfasst in üblicher
Weise einen Fest- und einen Bewegkontakt, deren Kontaktflächen
nicht eingezeichnet unter Vakuum in der Schaltkammer der Schaltröhre 5 angeordnet
sind. Der unbewegliche Festkontakt ist dabei ständig, z.
B. über eine feste Stange, leitend mit dem Eingangsanschlussstück 4 verbunden.
Demgegenüber ist der Bewegkontakt mit einer Bewegkontaktstange 7 verbunden,
welche durch ein Führungsrohr mittig aus der unteren Stirnseite
der Vakuumschaltröhre 5 heraussteht. Die Durchführung
der Bewegkontaktstange ist dabei z. B. mittels eines geeigneten
Faltenbalges hermetisch abgedichtet.
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Im
darunter liegenden Abschnitt vergrößert sich der
von der Umfangswand 3 umschlossene Hohlquerschnitt des
Schaltpolgehäuses 2 etwa kegelstumpfförmig.
Im Wesentlichen entlang der Mittellängsachse 6 des
Schaltpolgehäuses 2 ragt in den kegelförmigen
Hohlquerschnitt eine Schaltstange 8 hinein, deren unteres
Ende im Einbauzustand an einem nicht gezeigten Hubmechanismus angelenkt
ist. In einem mittleren Längenbereich besteht die Schaltstange 8 aus
einem Isolatorwerkstoff, während sie im oberen Endbereich
aus leitfähigem Material besteht. Dabei ist das obere Ende
der Schaltstange 8 unter axialer Abstützung mit
dem Ende der Bewegkontaktstange 7 gekoppelt, so dass die
Bewegkontaktstange 7 gemeinsam mit dem oberen Ende der
Schaltstange 8 bewegt wird. Die Koppelung muss hierbei
oberhalb eines Druckstückes 9 erfolgen, das einen
teleskopartig längenveränderbaren Abschnitt der
Schaltstange mittels einer Schraubendruckfeder überbrückt,
die axial zwischen zwei Ringtellern der Schaltstange abgestützt
ist. Hierdurch kann die Schaltstange 8 mit einem Überhub
versehen werden, durch den die Kontakte im Einschaltzustand mit
einer definierten Kraft aufeinandergedrückt werden, die
aus der Federkraft der zusammengedrückten Schraubendruckfeder
resultiert. Hierdurch ergeben sich Vorteile im Hinblick auf die
Kurzschlussfestigkeit der Vakuumschaltröhre 5.
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Um
bei eingeschalteter Vakuumschaltröhre 5 einen
Stromfluss zu ermöglichen, ist der leitende Endbereich
der Schaltstange 8 z. B. über ein flexibles Leiterband,
einen Schleifkontakt oder ähnliches ständig leitend
mit einem Abgangsanschlussstück 10 verbunden,
das die Umfangswand 3 im Mittelbereich durchsetzt und seitlich
von dieser absteht. Zur Isolierung des Abgangsanschlussstücks 10 ist
ein Abzweigrohr 11 vorgesehen, das vorteilhaft einteilig
mit der Umfangswand 3 ausgebildet sein kann. In das Abzweigrohr 11 ist
in einem seitlichen Abstand zur Umfangswand 3 ein ringförmiger
Stromsensor 12 eingebettet, mit dem sich der Stromfluss
im Abgangsanschlussteil 10 auf übliche Weise induktiv
erfassen lässt. Die zugeordnete Sensorleitung 13 des
Stromsensors 12 ist dabei in einen Gehäusesteg 14 eingegossen,
der senkrecht zwischen der Mitte des Abzweigrohrs 11 und
dem Fuß des Schaltpolgehäuses 2 verläuft.
Hierdurch wird auch eine winkelsteifere Anbindung des radial abragenden
Abzweigrohrs 11 erreicht. Zur Erhöhung der Knicksteifigkeit
des tunnelartigen Gehäusestegs 14 selbst, können
eine oder mehrere in Umfangsrichtung der Umfangswand 3 verlaufende
Verstärkungsrippen 15 vorgesehen werden.
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Um
zusätzlich eine messtechnische Erfassung der am Abgangsanschlussteil 10 anliegenden Spannung
zu ermöglichen, ist ein stabförmiger Spannungssensor 16 vorgesehen,
der in der Draufsicht gesehen um einen Winkel von 90 Grad versetzt
zum Stromsensor 12 an der Umfangswand 3 angeordnet ist.
Die versetzte Anordnung des Spannungssensors 16 sowie die
Verlegung der zugeordneten Sensorleitung sind in 1 wegen
des Schnittverlaufes nur andeutungsweise eingezeichnet.
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In
Verbindung mit 2 ist die Anordnung des Spannungssensors 16 an
der Umfangswand 3 deutlicher zu erkennen, da das Schaltpolgehäuse 2 in 2 gegenüber
dem Schnittverlauf gemäß 1 bezogen
auf die Mittellängsachse 6 um 90 Grad gedreht
geschnitten ist. Hier ist sichtbar, dass der stabförmige
Spannungssensor 16 vollständig in einen von der
Umfangswand 3 erhaben abstehenden Gehäusesteg 18 eingebettet
bzw. eingegossen ist, der entsprechend dicker ist als der Durchmesser
des Spannungssensors 16. Dabei verläuft der Spannungssensor 16 parallel
zur Mittellängsachse 6 des Schaltpolgehäuses 2.
Der Gehäusesteg 18 ist oberhalb des Spannungssensors 16 etwa
bis zur Höhenmitte des Schaltpolgehäuses 2 verlängert,
so dass ein erster Längenabschnitt der Sensorleitung 17 in die
Stegverlängerung eingebettet ist. Am oberen Ende dieses
Abschnittes ist die Sensorleitung 17 zunächst
um etwa 90 Grad abgebogen und verläuft danach unter Anpassung
an die Umfangskrümmung der Umfangswand 3 in einem
erhabenen Ringwulst 19, der sich vom oberen Ende des Steges 18 in
einer Querebene bis zum Abzweigrohr 11 erstreckt, in das er
hineingeführt und an das Abgangsanschlussstück 10 angeschlossen
ist. Dieser abgewinkelte und abgebogene Verlauf der Sensorleitung 17 entspricht
somit dem Verlauf der erhabenen Außenkontur des Steges 18 sowie
des daran anschließenden Ringwulstes 19 und ist
in Verbindung mit der perspektivischen Ansicht gemäß 3 sowie
der Schnittdarstellung gemäß der 5 gut
zu erkennen. Wie dargestellt, ist es hierbei vorteilhaft, wenn der
einen Sensorleitungsabschnitt aufnehmende Längenbereich
des Gehäusesteges 14 sowie der sich daran anschließende Ringwulst 19 unter
Anpassung an den Leitungsquerschnitt der Sensorleitung 17 verjüngt
sind.
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Dem
Spannungssensor 16 diametrisch gegenüberliegend,
also in Umfangsrichtung um 180 Grad versetzt, ist auf der Umfangswand 3 des
Schaltpolgehäuses 2 auf gleicher Höhe
ein zweiter, baugleicher Spannungssensor 16' angeordnet,
der sich ebenfalls parallel zur Mittellängsachse 6 erstreckt und
in einen zugeordneten Gehäusesteg 18' eingebettet
ist. Dieser Spannungssensor 18' soll die Spannung des Eingangsanschlussstücks 4 erfassen,
weshalb seine Sensorleitung 17' innerhalb des Schaltpolgehäuses 2 entlang
der Umfangswand 3 nach oben geführt ist. Wie insbesondere
in Verbindung mit 4 zu sehen ist, verläuft
die erst im oberen Bereich etwa rechtwinklig abgebogene Sensorleitung 17' schräg
zur Mittellängsachse 6 in einem entsprechend verlängerten
Gehäusesteg 18, dessen Querschnitt über
die Höhenerstreckung der Sensorleitung 17' entsprechend
verjüngt ist.
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- 1
- Schaltpol
- 2
- Schaltpolgehäuse
- 3
- Umfangswand
- 4
- Eingangsanschlussstück
- 5
- Vakuumschaltröhre
- 6
- Mittellängsachse
- 7
- Bewegkontaktstange
- 8
- Schaltstange
- 9
- Druckstück
- 10
- Abgangsanschlussstück
- 11
- Abzweigrohr
- 12
- Stromsensor
- 13
- Sensorleitung
- 14
- Gehäusesteg
- 15
- Verstärkungsrippe
- 16
- Spannungssensor
- 16'
- Spannungssensor
- 17
- Sensorleitung
- 17'
- Sensorleitung
- 18
- Gehäusesteg
- 18'
- Gehäusesteg
- 19
- Ringwulst
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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