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Die Erfindung betrifft eine Schaltanlage, insbesondere eine Mittelspannungsschaltanlage, mit stromführenden Elementen in mindestens einem Raum der Schaltanlage, mit Mitteln zum Feststellen des Auftretens eines Störlichtbogens in dem mindestens einen Raum und mindestens einem Störlichtbogenbegrenzer zum schnellen Auslösen eines Erdungsschalterantriebs bei Auftreten eines Störlichtbogens.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 36 06 770 A1 ist eine Mittelspannungsschaltanlage mit einem Störlichtbogenbegrenzer bekannt. Zur Störlichtbogenbegrenzung weisen gasisolierte gekapselte Schaltfelder der Schaltanlage mindestens einen nachgiebigen Abschnitt oder Wandteil auf, der über ein Gestänge mit Kraftspeicherantrieben von Erdungsschaltern verbunden ist. Die Erdungsschalter dienen gleichzeitig als Kurzschließer. Im Falle eines Störlichtbogens führt der durch den Lichtbogen erzeugte Überdruck in der Schaltanlage zu einer Bewegung des nachgiebigen Wandteils, wodurch das Gestänge betätigt und dadurch die Kraftspeicherantriebe ausgelöst werden, so dass sämtliche Erdungsschalter eingeschaltet werden und damit unabhängig vom Ort des Lichtbogens die Energieeinspeisung in jedem Fall sicher und schnell unterbrochen wird. Gleichzeitig wird der Aufbau des Lichtbogens unterbrochen, so dass der sich aufbauende Druckstoß und die nachfolgend freiwerdende thermische Energie deutlich schwächer sind. Im Ergebnis wird damit im Störlichtbogenfall vermieden, dass Lichtbogenzersetzungsprodukte aus dem Schaltfeld austreten.
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Um bei einer solchen Mittelspannungsschaltanlage die Folge von Durchschlägen bzw. Erdschlüssen im Kabelanschlussfeld und insbesondere auch daraus resultierende Lichtbogenwirkungen minimal zu halten, wird in der
DE 37 28 235 A1 vorgeschlagen, auch das Kabelanschlussfeld zu kapseln und die Kapselung zur Störlichtbogenbegrenzung mit einem druckabhängig beweglichen Bereich zu versehen, der mit einem Auslöser verbunden ist, der einen Erdungsschalter betätigt. Als druckabhängig beweglicher Bereich wird insbesondere eine Schwenkklappe in einer Außenwand des Kabelanschlussfelds vorgeschlagen, die über ein Gestänge mit einem Auslöser des Erdungsschalters verbunden ist.
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So hat ein Störlichtbogen nicht nur im Schaltfeld oder Schaltkessel keine Auswirkungen nach außen, auch die Auswirkungen eines etwaigen Störlichtbogens im Kabelanschlussbereich (dem oder den Kabelanschlussfeldern) nach außen in Bezug auf Druck und thermische Gase sind wegen der Störlichtbogenbegrenzung gering.
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Dennoch besteht ein Bedarf, die im Störlichtbogenfall freiwerdende Energie und den dabei entstehenden Druckstoß weiter zu verringern.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesem Bedarf gerecht zu werden.
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Diese Aufgabe wird mit einer Schaltanlage der eingangs genannten Art gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Störlichtbogenbegrenzer einen pyrotechnischen Anzündschlauch, eine mit den Mitteln zum Feststellen des Auftretens eines Störlichtbogens gekoppelte Zündeinheit und Mittel zum Auslösen des Erdungsschalterantriebs aufweist, wobei die Zündeinheit zum Zünden des Anzündschlauchs mit einem Ende des Anzündschlauchs gekoppelt ist, und wobei mindestens ein anderes Ende des Anzündschlauchs mit den Mitteln zum Auslösen des Erdungsschalterantriebs so gekoppelt ist, dass der Erdungsschalterantrieb vom Anzündschlauch im Fall des Auftretens eines Störlichtbogens ausgelöst wird.
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Mit „Störlichtbogenbegrenzer” sind hier und im Folgenden Mittel gemeint, die geeignet sind, bei Auftreten eines Störlichtbogens bzw. bei einem durch einen sich ausbildenden Störlichtbogen verursachten Druckanstieg das Erden oder Kurzschließen der Leiter in dem Raum kurzfristig einzuleiten, um damit den Aufbau des Störlichtbogens kurzfristig zu unterbinden, um damit die durch den Störlichtbogen freiwerdende Energie und den durch den Störlichtbogen sich aufbauenden Druck möglichst gering zu halten.
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Um ein schnelles Erden der Leiter zu ermöglichen, sind die Erdungsschalter mit Antrieben versehen. Als besonders geeignet und zuverlässig haben sich Kraftspeicherantriebe mit Federn erwiesen, die vorgespannt werden können und bei Bedarf die in den Federn gespeicherte Energie freigeben, um die Schaltmesser der Erdungsschalter in ihre Erdungsposition zu bringen. Dabei kann der Kraftspeicherantrieb in seinem vorgespannten Zustand beispielsweise durch eine Klinke gehalten werden, deren sperrender Eingriff beispielsweise durch einen Auslösestift gelöst werden kann, so dass der Kraftspeicher freigegeben wird.
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Alternativ ist beispielsweise auch denkbar, dass der Antrieb der Schaltmesser eines Erdungsschalters mithilfe einer pyrotechnischen Ladung erfolgt, wobei die Ladung durch geeignete Mittel im Falle eines Störlichtbogens gezündet wird.
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Es können in diesem Zusammenhang auch mehrere voneinander unabhängige Auslöser für einen Erdungsschalterantrieb vorgesehen sein, so dass der Erdungsschalterantrieb durch das unabhängige Betätigen jeweils eines Auslösers ausgelöst werden kann.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das Signal zum Auslösen des Erdungsschalters im Wesentlichen pyrotechnisch und damit sehr schnell zu übertragen, insbesondere deutlich schneller als bei Verwendung mechanischer Mittel zum Übertagen des Auslösesignals. Damit kann die Zeit vom Erkennen eines Störlichtbogens bis zum Einschalten des Erdungsschalters deutlich von bislang üblichen 20 bis 50 ms auf weit unter 10 ms gesenkt werden. Hierdurch wird der Störlichtbogen früher als mit vorbekannten Mitteln im Aufbau unterbunden, so dass damit auch der Aufbau der Druckwelle früher unterbrochen wird. Im Ergebnis wird der Druckstoß auf ein Minimum reduziert. Gleichzeitig ist der technische Aufwand äußerst gering.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Mittel zum Feststellen des Auftretens eines Störlichtbogens einen im oder am Raum angeordneten Drucksensor auf. Über einen Drucksensor lassen sich sprungartige Druckveränderungen eindeutig und schnell nachweisen.
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Als Drucksensor hat sich insbesondere eine Sensorklappe als geeignet erwiesen, die so ausgebildet ist, dass sie auf eine Stoßwelle reagieren kann. Die Sensorklappe kann beispielsweise in die Wand des Raums eingesetzt sein und sich beispielsweise zu einem benachbarten Raum hin öffnen. Sie kann aber auch innerhalb des Raums so angeordnet sein, beispielsweise in einer den Raum teilweise aufteilenden Trennwand sitzen, dass ein sich im Raum ausbreitender Druckstoß die Sensorklappe zumindest kurzzeitig bewegt. Der Drucksensor muss nicht zwingend als Klappe ausgebildet sein, äquivalent hierzu ist auch ein anders geartetes, auf Druck nachgiebiges Element verwendbar.
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Es sind auch andere Arten von Drucksensoren einsetzbar, beispielsweise elektronische oder piezoelektrische Drucksensoren, um einen Druckanstieg festzustellen.
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Die Mittel zum Zünden des Anzündschlauchs sind vorzugsweise als Zündkapsel ausgebildet, die mechanisch, beispielsweise durch einen Schlagstift als Bestandteil der Zündmittel, gezündet werden kann. Der Schlagstift kann dabei beispielsweise motorisch in Abhängigkeit von einem Signal des Drucksensors betätigt werden, oder aber über einen vorgespannten Kraftspeicher, der mechanisch oder elektronisch durch den Drucksensor bei Auftreten eines Störlichtbogens entriegelt wird.
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Als Mittel zum Auslösen des Erdungsschalterantriebs kommt unter anderem ein Gasgenerator in Betracht. Ein Gasgenerator kann zum Beispiel eine pyrotechnische Ladung sein, die dazu ausgelegt ist, eine Verriegelung des Erdungsschalterantriebs zu entriegeln. Zum Entriegeln des Antriebs des Erdungsschalters kann in einer einfachen Ausführungsform der Erfindung vorzugsweise ein Schlitten verwendet werden, der durch den Gasgenerator im Störlichtbogenfall bewegt wird, um eine Verriegelung des Antriebs des Erdungsschalters zu entriegeln. Soll der Erdungsschalter auch in Folge eines Störlichtbogens im Schaltkessel ausgelöst werden, können eine Druckkammer und ein darin geführter, mit dem Schlitten fest verbundener Kolben vorgesehen sein, wobei die Druckkammer im Fall eines Störlichtbogens im Schaltkessel, beispielsweise über einen zwischen dem Schaltkessel und der Druckkammer beweglich angeordneten Kolben, mit Druck beaufschlagt wird, so dass der Schlitten bewegt wird, um eine Verriegelung des Antriebs des Erdungsschalters zu entriegeln.
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Die Erfindung lässt sich besonders gut in Schaltanlagen verwenden, die mindestens ein Schaltfeld und mindestens einen Kabelanschlussraum aufweisen, wobei sowohl das Schaltfeld als auch der oder die Kabelanschlussräume störlichtbogenfest gekapselt sind. Solche Schaltanlagen können, wie es beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2013 109 938 beschrieben ist, druckfest gekapselt sein, die bei Auftreten eines Störlichtbogens vollständig geschlossen bleiben mit dem Ziel, dass kein durch den Störlichtbogen erzeugter Druckstoß an die Umgebung abgegeben wird. Da der erfindungsgemäße Einsatz eines pyrotechnischen Anzündschlauchs ein Ausbilden eines Störlichtbogens sehr frühzeitig verhindert, können die Anforderungen an die druckfeste Ausgestaltung der einzelnen Räume bzw. an das Gehäuse einer solchen druckfesten Schaltanlage deutlich geringer sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Prinzip dargestellt ist, näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Mittelspannungsschaltanlage,
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2 einen Querschnitt der in 1 dargestellten Mittelspannungsschaltanlage entlang der Schnittebene B-B,
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3 eine Aufsicht der in 1 dargestellten Mittelspannungsschaltanlage,
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4 einen detaillierteren Querschnitt des in 2 dargestellten Kabelschaltfeldes,
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5 einen weiteren Querschnitt des in 4 dargestellten Kabelschaltfelds mit einer Aufsicht auf eine Zwischenwand,
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6 eine Teilansicht der Rückseite der in 5 dargestellten Zwischenwand,
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7 eine Ansicht eines Teils der Mittel zum Auslösen des Erdungsschalterantriebs in verriegelnder Position,
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8 eine Ansicht eines Teils der Mittel zum Auslösen des Erdungsschalterantriebs in entriegelter Position, und
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9 noch eine Ansicht eines Teils der Mittel zum Auslösen des Erdungsschalterantriebs mit.
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Die in den 1 bis 3 dargestellte Mittelspannungsschaltanlage weist zwei Kabelanschlussräume 1, 2 für einen Kabelzugang und einen Kabelabgang sowie ein Transformatorfeld 6, jeweils mit Anschlüssen 3 1, 3 2, 3 6 für jeweils drei Phasenleiter 4 auf, sowie ein sich im Wesentlichen über die gesamte Breite der Anlage erstreckendes Schaltfeld 5.
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Als Zugang zum jeweiligen Kabelanschlussraum 1, 2 ist an seiner Vorderseite eine Wandung 11, 12 vorgesehen, die jeweils lösbar an einem hierfür vorgesehenen Rahmen 13 des Kabelanschlussraums 1, 2 befestigt ist. In bevorzugter, aber nicht zwingend erforderlicher druckfester Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mittelspannungsschaltanlage sind die Wandungen 11, 12 über mehrere, im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils sechs, Verschlussbolzen 14 am Rahmen befestigt und mit Dichtungen versehen, so dass die Kabelanschlussräume 1, 2 störlichtbogenfest und druckfest gekapselt sind.
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In einem Raum 15 der Mittelspannungsschaltanlage vor dem Schaltfeld 5 und oberhalb der Kabelanschlussräume 1, 2 sind Mittel für die Störlichtbogenbegrenzung vorgesehen, wie nachstehend mit Bezug zu den 7 und 8 näher erläutert wird.
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Insbesondere in den 4 und 5 ist zu sehen, dass in den Kabelanschlussräumen 1, 2 parallel zu ihrer Frontseite verlaufende Zwischenwände 17 vorgesehen sind, die die Kabelanschlussräume jeweils in einen vorderen Raum 18a und einen hinteren Raum 18b unterteilen. In die Zwischenwände 17 sind Sensorklappen 19 eingesetzt. Im gezeigten Beispiel sind die Sensorklappen 19 an ihrer Oberseite an die Zwischenwände 17 angelenkt, sie können aber ebenso gut seitlich oder an ihren Unterseiten an den Zwischenwänden angelenkt sein.
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Um einen schnellen Druckausgleich zwischen den beiden Räumen 18a und 18b innerhalb eines Kabelanschlussraums 1, 2 zu ermöglichen und damit den Maximaldruck innerhalb des jeweiligen Kabelanschlussraums 1, 2 zu verringern, ist in jeder Zwischenwand eine zusätzliche Druckentlastungsöffnung 21 vorgesehen.
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Die Sensorklappen 19 öffnen sich aufgrund einer durch einen Störlichtbogen im vorderen Raum 18a erzeugten Stoßwelle in den hinteren Raum 18b. In 4 ist die Sensorklappe in geöffneter Position gestrichelt eingezeichnet.
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Jede der Sensorklappen 19 ist mit den Auslösern von (nicht dargestellten) Erdungsschalterantrieben derart gekoppelt, dass die zugehörigen Erdungsschalter im Falle eines Störlichtbogens in einem der Kabelanschlussräume 1, 2 durch das Öffnen der Sensorklappe 19 ausgelöst und die Leiter 4 geerdet werden, so dass der Aufbau des Störlichtbogens unterbrochen wird.
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Üblicherweise sind die Erdungsschalter in solchen gasisolierten Mittelspannungsschaltanlagen im Schaltfeld 5 angeordnet. Damit die Erdungsschalter ausgelöst werden können, ist im Raum 15 ein totpunktverriegelter Sprungantrieb (nicht dargestellt) vorgesehen, der die Erdungsschalter über eine durch die Kapselung des Schaltfeldes 5 hindurch geführte Welle einschaltet, sobald der Sprungantrieb entriegelt ist. Hierzu sind eine mit der Sensorklappe 19 zusammenwirkende Zündeinheit 23, ein hierdurch zündbarer pyrotechnischer Anzündschlauch 25 und hiervon betätigte Mittel zum Auslösen des Erdungsschalterantriebs 25 vorgesehen.
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Der totpunktverriegelte Sprungantrieb kann mithilfe der Sensorklappen 19 entriegelt werden. Hierfür ist zwischen einer Sensorklappe 19 und dem Sprungantrieb jeweils ein pyrotechnischer Anzündschlauch 23 vorgesehen. Wie in 6 skizziert, ist am sensorklappenseitigen Ende des pyrotechnischen Schlauchs 24 eine Zündeinheit 25 zum Zünden des Anzündschlauchs vorgesehen. Die Zündeinheit 25 an der Zwischenwand 17 im hinteren Raum 18b ist in unmittelbarer Nähe zur Sensorklappe 19 befestigt, so dass sie durch eine Bewegung der Sensorklappe 19 über eine mechanische Kopplung betätigt werden kann. Im vorliegenden Beispiel ist die Zündeinheit 25 unmittelbar unterhalb der Sensorklappe 19 montiert.
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Die Zündeinheit 25 weist eine mit dem Anzündschlauch verbundene Zündkapsel 26 auf. Zum Auslösen der Zündkapsel ist ein Schlagbolzen 27 vorgesehen. Der Schlagbolzen 27 ist an einer Trägerplatte 28 montiert, die entlang von mit der Zündkapsel 26 verbundenen Führungsstangen 29 beweglich ist. Die Trägerplatte 28 ist durch Federn 31 mit einer Federkraft in Richtung zur Zündkapsel beaufschlagt. Die Bewegung der Trägerplatte 28 samt Schlagbolzen 27 ist durch Stege 32 einer Sperrklappe 33 gesperrt. Die Sperrklappe 33 ist an der Zündkapsel 26 um eine parallel zur Zwischenwand 17 verlaufende Achse 34 verschwenkbar gelagert und weist einen Finger 35 auf, der die Unterkante der Sensorklappe 19 überragt. Im Störlichtbogenfall wird die Sensorklappe 19 ausgelenkt, wodurch der Finger 35 die Sperrklappe 33 anhebt, so dass die Stege 32 den Weg für die Trägerplatte 28 freigeben und der Schlagbolzen 27 aufgrund der Federkraft auf die Zündkapsel 26 aufschlägt, so dass der Anzündschlauch gezündet wird.
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Die 7, 8 zeigen Teile einer Totpunktverriegelung 38 eines Sprungantriebs, und zwar in verriegelnder Position (7) und in entriegelter Position (8). Die Totpunktverriegelung 38 ist durch eine Klinke 39 lösbar. Die Klinke 39 lässt sich über einen am Rahmen der Totpunktverriegelung verschiebbar gelagerten Schlitten 41, der einen Mitnehmer 42 aufweist, betätigen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Klinke 39 in 8, durch den Mitnehmer 42 des Schlittens 41 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt und die Totpunktverriegelung hierdurch betätigt wurde. Hierdurch wird der Sprungantrieb freigegeben, so dass der Erdungsschalter sprunghaft eingeschaltet wird.
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Der Schlitten 41 ist über Langlöcher 43, 44 an der Oberseite eines Halteblechs 45 verschiebbar gelagert. Der Schlitten kann wahlweise durch einen Gasgeneratorantrieb oder über einen mit dem Schaltkessel verbundenen Drucktopf 46 betätigt werden.
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Der zur Vereinfachung der Darstellung in den 7 und 8 nicht, dafür aber in 9 dargestellte Gasgeneratorantrieb weist einen mit einem Ende des Anzündschlauchs 24 verbundenen Gasgenerator 47 auf. Der Gasgenerator 47 ist stabförmig ausgebildet und enthält eine mit dem Anzündschlauch 24 zündbare pyrotechnische Ladung. Der Gasgenerator 47 ist an seinem dem Anzündschlauch 24 zugewandten Ende 47a über ein Blech 48 fest mit dem Halteblech 45 verbunden. Mit seinem freien Ende 47b sitzt der Gasgenerator 47 in einer am Schlitten 41 befestigten, mit Ausnahme der Öffnung für den Gasgenerator 47 geschlossenen Hülse 49, die den Gasgenerator 47 vergleichsweise eng umschließt. Wird die pyrotechnische Ladung im Gasgenerator 47 gezündet, expandiert das dabei explosionsartig entstehende Gas in die Hülse hinein, so dass dadurch der Schlitten 41 betätigt wird.
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Der Drucktopf 46 ist enthält einen darin geführten Kolben 51, der fest mit dem Schlitten 41 verbunden ist. In der Zwischenwand zwischen Drucktopf 46 und Schaltkessel ist ein Druckübertrager 52 vorgesehen. Der Druckübertrager 52 kann beispielsweise als eine den Schaltkessel dicht verschließende Klappe ausgebildet sein, die sich im Falle eines Störlichtbogens aufgrund des im Schaltkessel sich aufbauenden Drucks in den Drucktopf 46 hinein öffnet, so dass der Kolben 51 aufgrund der bei einem Störlichtbogen sich aufbauenden Druckstoß betätigt wird. Der Druckübertrager 52 kann beispielsweise auch als flexible Membran ausgeführt werden, die sich im Falle eines Störlichtbogens in den Drucktopf hinein wölbt, so dass sich der Druck im Drucktopf erhöht und dadurch der Kolben 51 betätigt wird.
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Die Totpunktverriegelung, der Schlitten, der Gasgeneratorantrieb und der Drucktopf bilden gemeinsam die Mittel zum Auslösen des Erdungsschalterantriebs.
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Die Erfindung ist nicht auf die konkrete beschriebene Ausführungsform beschränkt. So können die Drucksensoren und Zündeinheiten beispielsweise auch in anderen Räumen, in denen Störlichtbögen entstehen können, eingesetzt werden, beispielsweise in Sammelschienenräumen oder in dem oder den Schaltfeldern.
