DE102012005358A1

DE102012005358A1 - Gleichstrom-Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE102012005358A1
Application number: DE201210005358
Authority: DE
Inventors: Uwe Kaltenborn; Mario Haim
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-19

Abstract

Eine Gleichstrom-Schalteinrichtung umfasst zwei parallel zueinander verlaufende Strompfade, in welchen jeweilige Schaltkontakte vorgesehen sind. Jeder der Schaltkontakte weist zwei Kontaktelemente auf, welche zum Öffnen des Schaltkontakts auseinanderbewegbar sind. Die Schaltkontakte weisen einen unterschiedlichen Lichtbogenwiderstand auf. Eine Steuereinrichtung der Schalteinrichtung ist dazu ausgebildet, zum Abschalten eines Gleichstroms zunächst die Kontaktelemente des Schaltkontakts mit dem geringeren Lichtbogenwiderstand und erst danach die Kontaktelemente des Schaltkontakts mit dem höheren Lichtbogenwiderstand auseinanderzubewegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Schalteinrichtung mit zwei Strompfaden, welche parallel zueinander zwischen zwei Verbindungspunkten einer elektrischen Leitung verlaufen und in welchen jeweilige Schaltkontakte vorgesehen sind, wobei jeder der Schaltkontakte zwei Kontaktelemente aufweist, welche bei gegenseitiger Berührung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Verbindungspunkten bereitstellen und welche zum Öffnen des Schaltkontakts auseinanderbewegbar sind, wobei die Schaltkontakte einen unterschiedlichen Lichtbogenwiderstand aufweisen.
Derartige Schalteinrichtungen sind grundsätzlich bekannt und dienen dazu, in Gleichstromnetzen den Strom sicher an- und abzuschalten. Unter Gleichstrom wird hierbei ein nulldurchgangsfreier Strom verstanden. Aufgrund des Fehlens von Nulldurchgängen muss beim Abschalten derartiger Ströme der Stromfluss nicht nur unterbrochen, sondern auch innerhalb eines bestimmten Zeitraums auf Null verringert werden, wobei Überspannungen im Netz zu vermeiden sind. Weiterhin muss die im Netz gespeicherte Energie abgeführt werden. Zu diesem Zweck kann zunächst einer der Schaltkontakte geöffnet und der Strom auf den parallelen Pfad kommutiert werden. Anschließend wird auch der in dem parallelen Pfad befindliche andere Schaltkontakt geöffnet, und zwar unter Ausbildung eines Lichtbogens. Der Lichtbogen erzeugt eine der Arbeitsspannung entgegengerichtete Lichtbogenspannung und zwingt so den Strom auf Null. Es kann auch ein weiterer paralleler Pfad zum Löschen des Lichtbogens vorgesehen sein, in welchem eine Leistungselektronikeinheit vorgesehen ist. Schalteinrichtungen dieser Art werden auch als ”Gleichstrom-Hybridschalter” bezeichnet.
Es kann bei Einrichtungen der vorstehend genannten Art schwierig sein, die Kontaktelemente ausreichend schnell auseinanderzubewegen. Zudem besteht bei Vorliegen einer Leistungselektronikeinheit die Gefahr, dass diese ausfällt.
Insofern besteht die Aufgabe der Erfindung darin, mit einfachen Mitteln eine Möglichkeit zum zuverlässigen Abschalten von Strömen in Gleichstromnetzen zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Gleichstrom-Schalteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
Erfindungsgemäß ist eine Steuereinrichtung der Schalteinrichtung dazu ausgebildet, zum Abschalten eines durch die elektrische Leitung geführten Gleichstroms zunächst die Kontaktelemente des Schaltkontakts mit dem geringeren Lichtbogenwiderstand und erst danach die Kontaktelemente des Schaltkontakts mit dem höheren Lichtbogenwiderstand auseinanderzubewegen.
Entgegen dem auf dem Fachgebiet üblichen Vorgehen, zuerst den Hauptstrompfad unter Vermeidung eines Lichtbogens auf einen Nebenstrompfad mit geringem Lichtbogenwiderstand zu kommutieren und in diesem dann einen Lichtbogen zu erzeugen, wird erfindungsgemäß also bereits bei dem zuerst geöffneten Schaltkontakt gezielt ein Lichtbogen erzeugt. Beim nachfolgenden Öffnen des anderen Schaltkontakts kommutiert der Lichtbogen auf diesen. Aufgrund des erhöhten Lichtbogenwiderstands erlischt der Lichtbogen jedoch rasch, und der Strom ist sicher abgeschaltet. Von Vorteil ist hierbei insbesondere der Umstand, dass es bei dem Schaltkontakt mit dem höheren Lichtbogenwiderstand nicht auf einen möglichst geringen Übergangswiderstand ankommt, da die während des Betriebs auftretenden Lastströme über den anderen Schaltkontakt geführt werden können.
Die Kontaktelemente des Schaltkontakts mit dem höheren Lichtbogenwiderstand können ein verdampfungsresistentes Material, insbesondere Wolfram, umfassen. Dadurch kann der Nachschub an Ladungsträgern im Lichtbogen unterbunden werden, wodurch dieser erlischt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kontaktelemente des Schaltkontakts mit dem höheren Lichtbogenwiderstand in einer Vakuum-Kammer oder in einer mit einem Dielektrikum gefüllten Kammer angeordnet. Hierdurch wird der Lichtbogenwiderstand weiter erhöht.
Weiterhin kann jedem der Schaltkontakte ein mit der Steuereinrichtung in Verbindung stehender Aktuator zum Bewegen der Kontaktelemente zugeordnet sein. Solche Aktuatoren können direkt von der Steuereinrichtung angesteuert werden.
Vorzugsweise ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Schaltkontakts mit dem geringeren Lichtbogenwiderstand vorgesehen. Dies ermöglicht eine effektive Stromführung, wobei auch hohe Stromstärken im Bereich von 5 kA zu bewältigen sind.
Die Kontaktelemente des Schaltkontakts mit dem geringeren Lichtbogenwiderstand sind bevorzugt dazu ausgebildet, bei ihrem Auseinanderbewegen einen in mehrere Teillichtbögen unterteilten Lichtbogen zu bilden.
Hierdurch kann eine besonders hohe Kommutierungsspannung erzeugt werden.
Gemäß einer konkreten Ausgestaltung sind die Kontaktelemente des Schaltkontakts mit dem geringeren Lichtbogenwiderstand als koaxiale, den Schaltkontakt mit dem höheren Lichtbogenwiderstand umgreifende Hülsen ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Konstruktion.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abschalten eines durch eine elektrische Leitung geführten Gleichstroms mittels einer Schalteinrichtung, welche zwei Strompfade aufweist, die parallel zueinander zwischen zwei Verbindungspunkten der elektrischen Leitung verlaufen und in welchen jeweilige Schaltkontakte vorgesehen sind, wobei jeder der Schaltkontakte zwei Kontaktelemente aufweist, welche bei gegenseitiger Berührung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Verbindungspunkten bereitstellen und welche zum Öffnen des Schaltkontakts auseinanderbewegbar sind, wobei die Schaltkontakte einen unterschiedlichen Lichtbogenwiderstand aufweisen.
Erfindungsgemäß werden zunächst die Kontaktelemente des Schaltkontakts mit dem geringeren Lichtbogenwiderstand und erst danach die Kontaktelemente des Schaltkontakts mit dem höheren Lichtbogenwiderstand auseinanderbewegt.
Weiterbildungen der Erfindung sind auch in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der beigefügten Zeichnung angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
1 ist eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Gleichstrom-Schalteinrichtung.
Die in 1 dargestellte Schalteinrichtung 10 ist in einer nicht gezeigten elektrischen Leitung eines Gleichstromnetzes vorgesehen, um im Bedarfsfall Lastströme und/oder Kurzschlussströme abzuschalten. Die Schalteinrichtung 10 umfasst zwei separate Strompfade 12, 14, in welchen jeweilige Schaltkontakte 16, 18 vorgesehen sind. Die Strompfade 12, 14 verlaufen parallel zueinander zwischen zwei Verbindungspunkten der elektrischen Leitung.
Jeder der Schaltkontakte 12, 14 weist zwei Kontaktelemente 20a, 20b, 22a, 22b auf, welche bei gegenseitiger Berührung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Verbindungspunkten bereitstellen und welche zum Öffnen des Schaltkontakts 16, 18 auseinanderbewegbar sind, wie durch Pfeile verdeutlicht ist. Das Auseinanderbewegen der Kontaktelemente 20a, 20b, 22a, 22b erfolgt mittels nicht dargestellter Aktuatoren, welche durch eine ebenfalls nicht dargestellte Steuereinrichtung der Schalteinrichtung 10 angesteuert werden.
Die Kontaktelemente 20a, 20b des ersten Schaltkontakts 16 sind in Form von doppelwandigen, ineinandergreifenden Hülsen ausgebildet. Sie sind weiterhin koaxial bezüglich einer Längsachse L der Schalteinrichtung 10 angeordnet und umgreifen eine Vakuum-Kammer 24, in welcher zwei stempelartige Kontaktelemente 22a, 22b des zweiten Schaltkontakts 18 angeordnet sind.
Die Schaltkontakte 16, 18 weisen einen unterschiedlichen Lichtbogenwiderstand auf, d. h. die Kontaktelemente 20a, 20b des ersten Schaltkontakts 16 weisen einen geringen Lichtbogenwiderstand auf und die Kontaktelemente 22a, 22b weisen einen vergleichsweise hohe Lichtbogenwiderstand auf. Zu diesem Zweck umfassen die Kontaktelemente 22a, 22b des zweiten Schaltkontakts 18 ein verdampfungsresistentes Material wie z. B. Wolfram.
Eine nicht dargestellte Kühlvorrichtung kühlt während des Betriebs fortlaufend die Kontaktelemente 20a, 20b des ersten Schaltkontakts 16, um so einen effektiven Stromfluss durch den ersten Strompfad 12 zu gewährleisten.
Während des Normalbetriebs des zugrundeliegenden Gleichstromnetzes sind beide Schaltkontakte 16, 18 geschlossen und der Laststrom fließt durch beide Strompfade 12, 14, zum größeren Teil jedoch durch den ersten Strompfad 12, da dieser einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist.
Sobald ein Abschalten des Stroms erforderlich ist, z. B. im Fehlerfall, sorgt die Steuereinrichtung dafür, dass zunächst die Kontaktelemente 20a, 20b des ersten Schaltkontakts 16 auseinanderbewegt werden. Diese erste Bewegung erfolgt unter Ausbildung eines Lichtbogens, wobei die Kontaktelemente 20a, 20b des ersten Schaltkontakts 16 derart geformt sind, dass der gebildete Lichtbogen in eine Vielzahl von parallelen Teillichtbögen unterteilt ist. Auf diese Weise wird eine relativ hohe Lichtbogenspannung am ersten Schaltkontakt 16 erzeugt. Nun werden die Kontaktelemente 22a, 22b des zweiten Schaltkontakts 18 auseinanderbewegt und der Lichtbogen wird zu dem zweiten Schaltkontakt 18 kommutiert. Aufgrund des verdampfungsresistenten Materials an der Oberfläche der Kontaktelemente 22a, 22b sowie der Anordnung des zweiten Schaltkontakts 18 in der Vakuum-Kammer 24 ist der Lichtbogenwiderstand am geöffneten zweiten Schaltkontakt 18 jedoch so hoch, dass der Lichtbogen erlischt. Der Strom in der elektrischen Leitung ist somit sicher abgeschaltet.
Eine Schalteinrichtung der vorstehend beschriebenen Art ist in der Lage, nicht nur Lastströme, sondern auch Kurzschlussströme im Bereich von 100 kA bis 120 kA zuverlässig und sicher zu schalten. Eine Leistungselektronikeinheit ist nicht notwendig.
Bezugszeichenliste

10: Schalteinrichtung
12: erster Strompfad
14: zweiter Strompfad
16: erster Schaltkontakt
18: zweiter Schaltkontakt
20a, 20b: Kontaktelemente des ersten Schaltkontakts
22a, 22b: Kontaktelemente des zweiten Schaltkontakts
24: Vakuum-Kammer
L: Längsachse

Claims

Gleichstrom-Schalteinrichtung (10), mit zwei Strompfaden (12, 14), welche parallel zueinander zwischen zwei Verbindungspunkten einer elektrischen Leitung verlaufen und in welchen jeweilige Schaltkontakte (16, 18) vorgesehen sind, wobei jeder der Schaltkontakte (16, 18) zwei Kontaktelemente (20a, 20b, 22a, 22b) aufweist, welche bei gegenseitiger Berührung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Verbindungspunkten bereitstellen und welche zum Öffnen des Schaltkontakts (16, 18) auseinanderbewegbar sind, wobei die Schaltkontakte (16, 18) einen unterschiedlichen Lichtbogenwiderstand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung der Schalteinrichtung (10) dazu ausgebildet ist, zum Abschalten eines durch die elektrische Leitung geführten Gleichstroms zunächst die Kontaktelemente (20a, 20b) des Schaltkontakts (16) mit dem geringeren Lichtbogenwiderstand und erst danach die Kontaktelemente (22a, 22b) des Schaltkontakts (18) mit dem höheren Lichtbogenwiderstand auseinanderzubewegen.
Gleichstrom-Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (22a, 22b) des Schaltkontakts (18) mit dem höheren Lichtbogenwiderstand ein verdampfungsresistentes Material, insbesondere Wolfram, umfassen.
Gleichstrom-Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (22a, 22b) des Schaltkontakts mit dem höheren Lichtbogenwiderstand in einer Vakuum-Kammer (24) oder in einer mit einem Dielektrikum gefüllten Kammer angeordnet sind.
Gleichstrom-Schalteinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Schaltkontakte (16, 18) ein mit der Steuereinrichtung in Verbindung stehender Aktuator zum Bewegen der Kontaktelemente (20a, 20b, 22a, 22b) zugeordnet ist.
Gleichstrom-Schalteinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Schaltkontakts (16) mit dem geringeren Lichtbogenwiderstand vorgesehen ist.
Gleichstrom-Schalteinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (22a, 22b) des Schaltkontakts (18) mit dem geringeren Lichtbogenwiderstand dazu ausgebildet sind, bei ihrem Auseinanderbewegen einen in mehrere Teillichtbögen unterteilten Lichtbogen zu bilden.
Gleichstrom-Schalteinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (20a, 20b) des Schaltkontakts (16) mit dem geringeren Lichtbogenwiderstand als koaxiale, den Schaltkontakt (18) mit dem höheren Lichtbogenwiderstand umgreifende Hülsen ausgebildet sind.
Verfahren zum Abschalten eines durch eine elektrische Leitung geführten Gleichstroms mittels einer Schalteinrichtung (10), welche zwei Strompfade (12, 14) aufweist, die parallel zueinander zwischen zwei Verbindungspunkten der elektrischen Leitung verlaufen und in welchen jeweilige Schaltkontakte (16, 18) vorgesehen sind, wobei jeder der Schaltkontakte (16, 18) zwei Kontaktelemente (20a, 20b, 22a, 22b) aufweist, welche bei gegenseitiger Berührung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Verbindungspunkten bereitstellen und welche zum Öffnen des Schaltkontakts (16, 18) auseinanderbewegbar sind, wobei die Schaltkontakte (16, 18) einen unterschiedlichen Lichtbogenwiderstand aufweisen, wobei die Schalteinrichtung (10) insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Kontaktelemente (20a, 20b) des Schaltkontakts (16) mit dem geringeren Lichtbogenwiderstand und erst danach die Kontaktelemente (22a, 22b) des Schaltkontakts (18) mit dem höheren Lichtbogenwiderstand auseinanderbewegt werden.