DE102017222943A1

DE102017222943A1 - Anordnung und Verfahren zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter

Info

Publication number: DE102017222943A1
Application number: DE102017222943.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Bartz; Alexander Golub
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-06-19
Also published as: EP3704728A1; CN111466005B; US20200365343A1; CN111466005A; WO2019115132A1; US11145471B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) und ein Verfahren zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter, mit einer Schaltstange (7) als Element einer kinematischen Kette des Hochspannungsleistungsschalters, einem um eine Achse (4) drehbarem Hebelelement (3), welches über ein Verbindungselement (6, 12) mechanisch mit einem Antrieb verbindbar ist, sowie mit einem Koppelelement (5), welches ausgebildet ist die Schaltstange (7) mit dem Hebelelement (3) mechanisch beweglich zu koppeln. Die Schaltstange (7) und das Koppelelement (5) weisen jeweils eine Längsachse auf, welche zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre im Wesentlichen auf einer gemeinsamen Achse (8) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter, mit einer Schaltstange als Element einer kinematischen Kette des Hochspannungsleistungsschalters, einem um eine Achse drehbarem Hebelelement, welches über ein Verbindungselement mechanisch mit einem Antrieb verbindbar ist, sowie mit einem Koppelelement, welches ausgebildet ist die Schaltstange mit dem Hebelelement mechanisch beweglich zu koppeln.
Hochspannungsleistungsschalter sind ausgebildet zum Schalten von Spannungen im Bereich von bis zu 1200 kV Spannung und im Bereich von bis zu einigen tausend Ampere Strom. Dabei werden Schaltgase wie z. B. SF₆ verwendet, welche klimaschädlich sind und/oder giftige Komponenten enthalten. Eine langzeitstabile, gasdichte Isolation der Hochspannungsleistungsschalter, welche sicher ein Entweichen von Gasen verhindert, ist aufwendig und erhöht die Kosten bei der Wartung. Schalter mit alternativen Schaltgasen, wie z. B. Clean Air, d. h. trockener, gereinigter Luft, sind bei gleicher Bauweise und bei gleichen maximalen Schaltspannungen bzw. zu schaltenden Strömen, in den Dimensionen größer auszuführen, um eine sichere elektrische Isolation zwischen den elektrisch leitenden Komponenten zu gewährleisten, was die Kosten erhöht. Die Verwendung von Vakuumschaltröhren in Hochspannungsleistungsschaltern, in Verbindung mit Clean Air als Isoliergas, ist eine alternative zu z. B. gasisolierten Schaltern mit Nenn- und Lichtbogenkontakten, umfassend Schaltgase wie z. B. SF₆.
Die Vakuumschaltröhren sind in einem äußeren Isolator angeordnet, welcher z. B. säulenförmig, mit kreisförmig umlaufenden Rippen am äußeren Umfang ausgebildet ist, um die elektrische Isolation entlang der äußeren Mantelfläche in Richtung der Längsachse zu erhöhen. Der Isolator ist im Betrieb des Hochspannungsleistungsschalters aufrechtstehend angeordnet, z. B. auf einem Traggestell bzw. auf einem Träger mit Fundament, oder z. B. waagerecht angeordnet als Arm eines T-förmigen Hochspannungsleistungsschalters. Eine oder mehr Vakuumschaltröhren sind z. B. entlang der Längsachse des Isolators insbesondere koaxial mit der Längsachse des Isolators angeordnet und mechanisch fest im Isolator fixiert. Der Hochspannungsleistungsschalter kann mehr als eine Vakuumschaltröhre in Reihe und/oder parallel verschaltet umfassen, wobei im Weiteren der Einfachheit halber von einer Vakuumschaltröhre ausgegangen wird.
Die Vakuumschaltröhre ist im Inneren des Isolators mechanisch stabil und elektrisch leitend zwischen wenigstens zwei äußeren elektrischen Anschlüssen angeordnet und geschaltet, wobei die elektrischen Anschlüsse z. B. in Form von Anschlussfahnen zum Anschluss von Hochspannungsleitungen, Stromerzeugern und/oder Stromverbrauchern ausgebildet sind. Der Aufbau einer Vakuumschaltröhre für Hochspannungsleistungsschalter ist z. B. aus der EP 0 102 317 A2 bekannt. Die Vakuumschaltröhre umfasst ein Gehäuse in Form eines kreisrunden, geraden Zylinders, welcher im Inneren evakuiert ist. Das Gehäuse ist aus zwei gleichen, geraden zylinderförmigen Hälften aus Keramik bzw. Keramikteilen aufgebaut, welche über einen Metallzylinder bzw. über ein Metallteil mit Übergangsstücken in der Mitte des Gehäuses zusammengefügt sind. Die Übergangsstücke sind im Gehäuse als Schirmelektroden bzw. Abschirmung ausgeführt.
Die Vakuumschaltröhre umfasst zum Schalten wenigstens einen elektrischen Kontakt mit einem festen und einem beweglichen Kontaktstück. Alternativ können auch mehrere bewegliche Kontaktstücke von dem wenigstens einen elektrischen Kontakt umfasst sein, mit oder ohne einem oder mehr festen Kontaktstücken. Im Weiteren wird der Einfachheit halber von einer Vakuumschaltröhre mit einem festen und einem beweglichen Kontaktstück ausgegangen. Die Kontaktstücke sind in der Vakuumschaltröhre tellerförmig ausgebildet und von Vakuum umschlossen. Nach außen sind die Kontaktstücke bolzenförmig geführt und jeweils elektrisch mit einem äußeren elektrischen Anschluss z. B. in Form einer Anschlussfahne des Hochspannungsleistungsschalters verbunden. Das bewegliche Kontaktstück ist über einen Faltenbalg vakuumdicht in die Vakuumschaltröhre beweglich geführt und gelagert.
Beim Einschalten wird das bewegliche Kontaktstück auf das feste Kontaktstück zubewegt, bis ein mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktstücken besteht. Beim Ausschalten wird das bewegliche Kontaktstück vom festen Kontaktstück solange wegbewegt, bis der elektrische Kontakt zwischen den Kontaktstücken unterbrochen ist und ein ausreichender Abstand zur Vermeidung elektrischer Überschläge bei angelegter Spannung besteht. Bei hohen Spannungen, z. B. im Bereich von 145 kV, sind große Abstände, insbesondere im Bereich von Zentimetern, zwischen den Kontaktstücken notwendig. Die Vakuumschaltröhre ist lang ausgelegt, um ausreichende Abstände im Inneren zu gewährleisten. Die geraden zylinderförmigen Hälften aus Keramik bzw. Keramikteilen des Gehäuses der Vakuumschaltröhre sind aus mehreren Teilen aufgebaut, welche über Metallteile mit Übergangsstücken zusammengefügt sind. Die Übergangsstücke sind jeweils im Gehäuse als Schirmelektroden bzw. Abschirmung ausgeführt. Ein Verbinden von Keramikteilen des Gehäuses über Metallteile, welche z. B. aus Kupfer und/oder Stahl sind, erfolgt z. B. durch Verlöten.
Die Bewegungsenergie zum Schalten der Vakuumschaltröhre, d. h. für die Bewegung des beweglichen Kontaktstücks, wird von einem Antrieb, insbesondere einem Federspeicherantrieb bereitgestellt. Im Weiteren wird der Einfachheit halber von einem Antrieb ausgegangen, es können aber auch mehrere Antriebe, insbesondere zum Schalten mehrpoliger Hochspannungsleistungsschalter, vorgesehen sein. Die Antriebsenergie bzw. die Antriebsbewegung wird über Elemente einer kinematischen Kette vom Antrieb auf das bewegliche Kontaktstück der Vakuumschaltröhre übertragen. Die Elemente der kinematischen Kette umfassen z. B. eine Schaltstange, welche direkt oder indirekt Bewegungsenergie auf das bewegliche Kontaktstück überträgt, ein Hebelelement, insbesondere in einem Getriebe, welches z. B. über wenigstens ein Verbindungselement mit dem Antrieb mechanisch beweglich, kraftübertragend gekoppelt ist, und ein Koppelelement, welches ausgebildet ist, Bewegungsenergie vom Hebelelement auf die Schaltstange zu übertragen.
Bei der Übertragung der Antriebsenergie bzw. der Antriebsbewegung vom Antrieb auf das bewegliche Kontaktstück der Vakuumschaltröhre findet eine Kraftumformung der Richtung der Kraft und/oder in der Kraftgröße abhängig von der Zeit statt, wodurch ein definiertes Bewegungsprofil des beweglichen Kontaktstücks aus der vom Antrieb bereitgestellten Energie erzeugt wird. Die für ein zuverlässiges Schalten notwendige Bewegungsenergie ist zu verschiedenen Zeitpunkten des Schaltvorgangs unterschiedlich. Z. B. kann beim Ausschalten einer Vakuumschaltröhre ein sogenannter Trennschlag notwendig sein, welcher die Kontaktstücke eines elektrischen Kontakts der Vakuumschaltröhre voneinander mechanisch und elektrisch trennt.
Ein Lichtbogen kann bei einem Einschalten zu einer starken Erwärmung der Kontaktstücke führen, insbesondere zu einem lokalen aufschmelzen der Kontaktflächen der insbesondere tellerförmigen Kontaktstücke, welches bei Abkühlung ein verschmelzen von Kontaktflächen bzw. Kontaktstücken bewirken kann. Um derartig verschmolzene Kontaktstücke zu trennen ist kurzzeitig eine hohe Kraft bzw. eine große Bewegungsenergie notwendig, welche einen Trennschlag erzeugt. Der Trennschlag bewirkt ein auseinanderreißen der Kontaktflächen bzw. Kontaktstücke, und ermöglicht so ein zuverlässiges Ausschalten der Vakuumschaltröhre bzw. ein zuverlässiges Trennen eines Strompfads über den Kontakt der Vakuumschaltröhre. Die große Kraft bzw. hohe Energie beim Trennschalg kann zu Bewegungen der Schaltstange mit Bewegungskomponenten senkrecht zur Schaltbewegung bzw. zur Bewegungsrichtung des beweglichen Kontaktstücks führen.
Zum Schalten ist eine gerichtete Bewegung des beweglichen Kontaktstücks in Richtung des festen Kontaktstücks notwendig, auf das feste Kontaktstück zu oder vom festen Kontaktstück weg. Die Schaltstange überträgt die gerichtete Bewegung auf das bewegliche Kontaktstück. Dazu ist die Schaltsange z. B. in einem Gehäuse geführt, um eine gerichtete Bewegung entlang einer Bewegungsachse zuverlässig zu übertragen. Bewegungskomponenten der Bewegungen der Schaltstange senkrecht zur Schaltbewegung bzw. zur Bewegungsrichtung des beweglichen Kontaktstücks beim Trennschalg können zu einer Beschädigung der Schaltstange, und/oder der Führung, und/oder des Gehäuses führen, bis hin zu irreversiblen Zerstörungen. Diese können weiterhin eine erhöhte Abnutzung der Schaltstange, und/oder der Führung, und/oder des Gehäuses bewirken. Bewegungskomponenten der Bewegungen der Schaltstange senkrecht zur Schaltbewegung führen zu Verlusten von Bewegungsenergie beim Schalten, erhöhen die zum Schalten vom Antrieb zur Verfügung zu stellende Energie, d. h. erhöhen Kosten, und können Beschädigungen des Hochspannungsleistungsschalters bewirken, d. h. reduzieren die langzeitstabile Zuverlässigkeit des Hochspannungsleistungsschalters.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme lösen. Insbesondere ist es Aufgabe, Bewegungskomponenten der Bewegungen der Schaltstange senkrecht zur Schaltbewegung bzw. zur Bewegungsrichtung des beweglichen Kontaktstücks beim Trennschalg zu verhindern bzw. zu reduzieren, insbesondere um Kosten einzusparen, die Zuverlässigkeit des Hochspannungsleistungsschalters zu erhöhen und Beschädigungen des Hochspannungsleistungsschalters beim Schalten zu vermeiden.
Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, und/oder durch ein Verfahren zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter, insbesondere in einem zuvor beschriebenen Hochspannungsleistungsschalter, gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter und/oder des Verfahrens zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter, insbesondere in einem zuvor beschriebenen Hochspannungsleistungsschalter, sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei sind Gegenstände der Hauptansprüche untereinander und mit Merkmalen von Unteransprüchen sowie Merkmale der Unteransprüche untereinander kombinierbar.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter umfasst eine Schaltstange als Element einer kinematischen Kette des Hochspannungsleistungsschalters, ein um eine Achse drehbares Hebelelement, welches über ein Verbindungselement mechanisch mit einem Antrieb verbindbar ist, sowie ein Koppelelement, welches ausgebildet ist die Schaltstange mit dem Hebelelement mechanisch beweglich zu koppeln. Die Schaltstange und das Koppelelement weisen jeweils eine Längsachse auf, welche zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre erfindungsgemäß im Wesentlichen auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
Das Anordnen der Schaltstange und des Koppelelements mit der jeweiligen Längsachse, zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre, im Wesentlichen auf einer gemeinsamen Achse, ermöglicht beim Trennschlag eine Kraftübertragung auf die Schaltstange im Wesentlichen in Richtung der Längsachse der Schaltstange. Somit wird die maximal übertragene Kraft, welche zum Zeitpunkt des Trennschalgs notwendig ist, entlang der Längsachse der Schaltstange übertragen und Bewegungskomponenten der Bewegungen der Schaltstange senkrecht zur Schaltbewegung bzw. zur Bewegungsrichtung des beweglichen Kontaktstücks beim Trennschalg werden verhindert bzw. reduziert. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des Hochspannungsleistungsschalters, ermöglicht die Vermeidung von Beschädigungen des Hochspannungsleistungsschalters beim Schalten, und ermöglicht Kosten bei der Wartung und Auslegung der Führung und des Gehäuses einzusparen.
Bewegungsenergie, welche vom Antrieb bereitgestellt wird, kann mit minimalen Verlusten auf die Schaltstange und somit auf die Kontaktstücke übertragen werden, Energieverluste durch Reibung und Verluste durch die Bewegungskomponenten der Bewegungen der Schaltstange senkrecht zur Schaltbewegung werden verringert bzw. minimiert, und ein Antrieb kann kleiner dimensioniert werden, was Kosten spart. Bewegungsschwingungen und Biegungen der geführten Schaltstange, welche durch Bewegungskomponenten der Bewegungen der Schaltstange senkrecht zur Schaltbewegung auftreten können, werden unterbunden und Teile der kinematischen Kette können kleiner dimensioniert ausgelegt werden. Damit können Material und Kosten eingespart werden, die zu bewegende Masse kann reduziert werden, und der Antrieb kann kleiner dimensioniert ausgelegt werden.
Zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre kann ein Winkel zwischen den Längsachsen der Schaltstange und des Koppelelements im Bereich von fünf bis null Grad, insbesondere genau null Grad bestehen. Bei einem Winkel von null Grad sind die Bewegungskomponenten der Bewegungen der Schaltstange senkrecht zur Schaltbewegung null, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Schwankungen im Winkel innerhalb eines Bereichs von bis zu fünf Grad sind tolerierbar, d. h. führen zu keinen großen Energieverlusten und/oder Beschädigungen der Führung bzw. des Gehäuses, und ergeben im Wesentlichen die zuvor beschriebenen Vorteile. In diesem Winkel-Bereich kann von einer im Wesentlichen gemeinsamen Achse der Schaltstange und des Koppelelements ausgegangen werden.
Die Schaltstange kann in einem Gehäuse, insbesondere einem hohlzylinderförmigen Gehäuse mit einer kreisrunden Grundfläche, über eine Führung geführt sein, insbesondere für eine lineare Bewegung der Schaltstange. Eine derartige Führung ist einfach und kostengünstig, zuverlässig und verhindert ein Verkanten der Schaltstange beim Schalten.
Das Koppelelement kann stabförmig, insbesondere im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sein. Bei einer Dicke, insbesondere im Bereich von Millimetern bis hin zu Zentimetern, entsprechend dem Material des Koppelelements, z. B. Stahl, und abhängig von der zu übertragenden maximalen Kraft bei der Schaltbewegung, insbesondere beim Trennschlag, ist eine zuverlässige Übertragung der Bewegung über das Koppelelement möglich, langzeitstabil, ohne Beschädigungen und/oder Verformungen des Koppelelements.
Das Koppelelement kann an einem Ende mit einem Befestigungselement, insbesondere einem Bolzen oder einer Schraube, rotierbar an der Schaltstange befestigt sein und/oder dass das Koppelelement kann an einem gegenüberliegenden Ende mit einem Befestigungselement, insbesondere einem Bolzen oder einer Schraube, rotierbar am Hebelelement befestigt sein. Eine zuverlässige Befestigung jeweils am Ende des Koppelelements z. B. über einen Bolzen und/oder über eine Schraube ermöglicht langzeitstabil, zuverlässig Kräfte der Schaltbewegung zu jedem Zeitpunkt des Bewegungsprofils zu übertragen.
Die Schaltstange kann kreiszylinderförmig ausgebildet sein, mit einem quaderförmigen Ende, an welchem das Koppelelement beweglich befestigt sein kann. Eine kreiszylinderförmige Schaltstange ermöglicht eine koaxiale Anordnung eines Koppelelements, ergibt eine hohe mechanische Stabilität und damit große Kräfte, welche entlang einer Längsachse der Schaltstange über die Schaltstange übertragen werden können, und ein quaderförmiges Ende, an welchem das Koppelelement beweglich befestigt sein kann, ermöglicht eine zuverlässige, bewegliche, einfache Befestigung des Koppelelements an der Schaltstange.
Das Hebelelement kann in einem Lagerbock um insbesondere eine mittlere Achse drehbar gelagert sein, und/oder über ein Befestigungselement, insbesondere einem Bolzen oder einer Schraube, am Lagerbock beweglich befestigt sein. Eine derartige Lagerung und Befestigung des Hebelelements ermöglicht eine zuverlässige räumliche Anordnung des Hebelelements, langzeitstabil, bei guter Kraftübertragung auf die Schaltstange, zur Erzeugung eines definierten Bewegungsprofils des beweglichen Kontaktstücks.
Das Hebelelement kann zwei Hebelarme aufweisen, wobei an einem Ende eines Hebelarms das Verbindungselement zum Antrieb befestigt sein kann. Die Achse des Hebelelements, um welche das Hebelelement drehbar gelagert ist, kann im Wesentlichen mittig des Hebelelements angeordnet sein. Alternativ kann das Hebelelement einen Hebelarm aufweisen und/oder die die Achse des Hebelelements, um welche das Hebelelement drehbar gelagert ist, kann im Wesentlichen an einem Ende des Hebelelements angeordnet sein. Das Koppelelement kann im Wesentlichen mittig des Hebelelements am Hebelelement beweglich befestigt sein. Alternativ kann das Koppelelement im Wesentlichen an einem Ende des Hebelelements am Hebelelement beweglich befestigt sein. Über die Form des Hebelelements und die Anordnung, insbesondere räumlich auf dem Hebelelement und mit definierten Abständen, von Drehachse, Koppelelement und Verbindungselement, kann aus der vom Antrieb bereitgestellten Bewegung ein Bewegungsprofil erzeugt werden, welches beim Schalten des Hochspannungsleistungsschalters benötigt wird.
Zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre kann die gemeinsame Achse der Schaltstange und des Koppelelements parallel zur Richtung der Antriebsbewegung des Verbindungselements sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Antrieb unterhalb der erfindungsgemäßen Anordnung angeordnet ist bzw. wenn der Antrieb vertikal wirkt. Alternativ kann zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre die gemeinsame Achse der Schaltstange und des Koppelelements senkrecht zur Richtung der Antriebsbewegung des Verbindungselements sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Antrieb neben der erfindungsgemäßen Anordnung angeordnet ist bzw. wenn der Antrieb horizontal wirkt. Dadurch kann eine Verlustfreie bzw. Verlustarme Bewegungsübertragung vom Antrieb auf die Schaltstange sichergestellt werden, mit wenigen Elementen der kinematischen Kette und/oder ohne zusätzliche Richtungsänderungen und somit Elementen der kinematischen Kette für eine Richtungsänderung der Bewegung, mit Ausnahme der zuvor beschriebenen Elemente der kinematischen Kette.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter, insbesondere mit einer zuvor beschriebenen Anordnung, umfasst, dass ein Verbindungselement über einen Antrieb bewegt wird und ein um eine Achse drehbares Hebelelement bewegt, welches über ein Koppelelement die mechanische Bewegungsenergie auf eine Schaltstange überträgt, die als Element einer kinematischen Kette des Hochspannungsleistungsschalters beim Schalten Bewegungsenergie auf den elektrischen Kontakt der Vakuumschaltröhre überträgt. Erfindungsgemäß bilden die Längsachsen der Schaltstange und des Koppelelements zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre im Wesentlichen eine gemeinsame Achse aus.
Die Längsachsen der Schaltstange und des Koppelelements können zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre einen Winkel kleiner 5 Grad einschließen.
Zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre kann die Kraft senkrecht zur Längsachse der Schaltstange auf die Schaltstange gleich Null werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter, insbesondere in einem zuvor beschriebenen Hochspannungsleistungsschalter, gemäß Anspruch 11 sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Anordnung zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter gemäß Anspruch 1 und umgekehrt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch in der einzigen Figur dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigt die

Figur schematisch in Schnittansicht eine erfindungsgemäße Anordnung 1 zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter zum Zeitpunkt eines Trennschlags der Vakuumschaltröhre.

In der Figur ist schematisch in Schnittansicht eine erfindungsgemäße Anordnung 1 zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter dargestellt. Die Figur zeigt die Anordnung 1 zum Zeitpunkt des Trennschlags der Vakuumschaltröhre. Eine Schaltstange 7 ist beweglich gelagert in einem Gehäuse 10, mit einem Ende der Schaltstange 7 linear geführt über eine Führung 9. Die Schaltstange 7 ist ausgebildet, Bewegungsenergie von einem Antrieb des Hochspannungsleistungsschalters auf ein bewegliches Kontaktstück der Vakuumschaltröhre beim Schalten zu übertragen.
Beim Ausschalten, d. h. beim Trennen des Strompfads über die Vakuumschaltröhre bzw. über den Kontakt der Vakuumschaltröhre, insbesondere mit einem beweglichen und einem festen Kontaktstück, sind die Kontaktstücke der Vakuumschaltröhre zu Beginn aneinander gepresst. Die Kontaktstücke können insbesondere durch die Wirkung eines Lichtbogens beim Einschalten miteinander verschweißt sein. Es ist eine große Kraft zu Beginn des Ausschaltvorgangs notwendig, d. h. ein Trennschlag, um die Kontaktstücke voneinander zuverlässig zu trennen. Die Bewegungsenergie bzw. die Kraft für einen Trennschlag und die weitere Bewegung des beweglichen Kontaktstücks werden vom Antrieb bereitgestellt und über Elemente einer kinematischen Kette auf das bewegliche Kontaktstück übertragen. Das Bewegungsprofil, insbesondere der zeitliche Verlauf der Kraft auf das bewegliche Kontaktstück, wird unter anderem vom Antrieb und den Elementen der kinematischen Kette bestimmt. Zu Beginn des Ausschaltvorgangs, beim Trennschlag, ist die aufzuwendende Kraft maximal.
Für eine verlustarme Übertragung der Bewegungsenergie vom Antrieb auf das bewegliche Kontaktstück mit einem vorbestimmten Bewegungsprofil, wird die Bewegungsenergie vom Antrieb über ein Verbindungselement 6 auf ein Hebelelement 3 übertragen, welches um eine Achse 4 drehbar gelagert ist. Das Hebelelement 3 ist beweglich über ein Koppelelement 5 mit der Schaltstange 7 mechanisch verbunden. Die Bewegungsenergie des Antriebs, z. B. eines Federspeicherantriebs, wird vom Antrieb über das Verbindungselement 6 als Linearbewegung auf das Hebelelement 3 übertragen, durch Drehbewegung des Hebelelements 3 um die Achse 4 auf das am Hebelelement 3 befestigte Koppelelement 5 übertragen, welches an seinen Enden jeweils drehbar gelagert ist und mit einem Ende beweglich am Hebelelement 3 befestigt ist, und vom Koppelelement 5 wird die Bewegungsenergie auf die Schaltstange 7 übertragen, welche an einem Ende mit einem Ende des Koppelelements 5 beweglich verbunden ist. Die Bewegung der Schaltstange 7 ist durch die Führung 9 im Gehäuse 10 linear, und wird zum Schalten linear, d. h. mit einer Richtung entlang einer Geraden, auf das bewegliche Kontaktstück der Vakuumschaltröhre übertragen.
Das Gehäuse 10 ist z. B. rohrförmig, insbesondere hohlzylinderförmig mit kreisrunder Grund- und Deckfläche, ausgebildet. Die Schaltstange 7 ist z. B. stangenförmig, insbesondere zylinderförmig ausgebildet, mit einem abgeflachten, insbesondere quaderförmigen Ende. Um den Umfang des zylinderförmigen Teils der Schaltstange ist ringförmig eine Führung 9 in dem Gehäuse 10 angeordnet, welche z. B. in Form eines Gleitrings aus z. B. Teflon in einer ringförmigen Anformung mit Nut an der Schaltstange 7 ausgebildet ist. Die Führung 9 gleitet, bei linearer Bewegung der Schaltstange entlang der Längsachse der Schaltstange, entlang der inneren Wandung des Gehäuses 10. Das Gehäuse 10 weist eine Längsachse auf, welche koaxial zur Längsachse der Schaltstange 7 ist.
Das Koppelelement 5 ist quaderförmig, länglich ausgebildet, insbesondere mit vier abgeschrägten oder abgerundeten Kanten. Das Koppelelement 5 ist an einem Ende mit einem Befestigungselement, insbesondere einem Bolzen oder einer Schraube, am abgeflachten, insbesondere quaderförmigen Ende der Schaltstange 7 drehbar befestigt, mit einer Seite des quaderförmigen Endes der Schaltstange 7 planparallel zu einer Seite des quaderförmigen Koppelelements 5. Das Koppelelement 5 ist am gegenüberliegenden Ende mit einem Befestigungselement, insbesondere einem Bolzen oder einer Schraube, am Hebelelement 3 drehbar befestigt, mit einer flachen Seite des Hebelelements 3 planparallel zu einer Seite des quaderförmigen Koppelelements 5. Die Längsachse des Koppelelements 5 ist zum Zeitpunkt des Trennschlags, wie in der Figur dargestellt ist, auf einer gemeinsamen Achse 8 mit der Längsachse der Schalstange 7, analog einer koaxialen Anordnung der Längsachsen.
Dadurch wird die Kraft bzw. Bewegung vom Antrieb zum Zeitpunkt des Trennschlags, wo die Kraft maximal ist, vom Koppelelement 5 linear entlang der Achse 8 auf die Schaltstange 7 übertragen. Es werden keine Querkomponenten zur Achse 8 der Kraft übertragen. Eine Bewegung zum Zeitpunkt des Trennschlags erfolgt ausschließlich in Richtung entlang der Achse 8, wodurch die Führung 9 nicht in Richtung Gehäuse 10 belastet wird, eine Pendel- bzw. Schwingbewegung der Schaltstange 7 vermieden wird, und Verluste an Bewegungsenergie durch Bewegungskomponenten senkrecht zur Achse 8 unterbunden werden. Damit wird eine zuverlässige Schaltbewegung, insbesondere ohne Verkanten der Schaltstange 7 im Gehäuse 10 zum Zeitpunkt des Trennschlags möglich, bei minimalem Kraft- bzw. Energieaufwand, womit der Antrieb und Komponenten der kinematischen Kette entsprechend klein ausgelegt werden können, was Kosten und Energie spart.
Das Hebelelement 3 ist über ein Befestigungsmittel, insbesondere einem Bolzen oder einer Schraube, mechanisch stabil an einem Lagerbock 2 drehbar fixiert. Der Lagerbock 2 und das Gehäuse 10 sind z. B. an einem Traggestell des Hochspannungsleistungsschalters befestigt, z. B. angeschraubt oder angeschweißt. Die Vakuumschaltröhre und das Gehäuse 10 sind z. B. von einem Isolator umfasst, welcher ebenfalls am Traggestell, z. B. als Säule auf dem Traggestell stehend, befestigt sein kann, was der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt ist.
Das Hebelelement 3 ist z. B. als Parallelepiped mit abgerundeten Kanten ausgebildet. In dem Körper des Hebelelements 3 können Nuten eingebracht sein, wobei ein Ende des Koppelelements 5 in einer Nut eingeschoben angeordnet sein kann. Alternativ kann das Koppelelement 5 an einer Seite des Hebelelements 3 außen angeordnet und drehbar befestigt sein. Benachbart zu zwei gegenüberliegenden Kanten des Hebelelements 3, wie in der Figur gezeigt ist, können Bohrungen in das Hebelelement 3 eingebracht sein, wobei über das Befestigungsmittel und eine Bohrung das Koppelelement 5 befestigt ist. Gegenüberliegend, über die zweite Bohrung und ein Befestigungsmittel, ist das Hebelelement 2 am Lagerbock 2 befestigt und drehbar gelagert.
Benachbart zu einer weiteren Kanten des Hebelelements 3, wie in der Figur gezeigt ist, kann eine Bohrungen in das Hebelelement 3 eingebracht sein, wobei über ein Befestigungsmittel und die Bohrung das Verbindungselement 6 zum Antrieb befestigt ist. Die drei Bohrungen im Hebelelement 3 bilden in Aufsicht auf das Hebelelement 3, wie in der Figur gezeigt ist, ein Dreieck. Bei einem Antrieb, welcher vertikal zum Lagerbock 2 bzw. entlang der Achse 8 benachbart, d. h. in der Figur unterhalb des Lagerbocks 2, angeordnet ist, ist das Verbindungselement 6 entsprechend der Figur an der Bohrung insbesondere der rechten Ecke des Hebelelements 3 angeordnet bzw. drehbar befestigt. Die Kraft- bzw. Bewegungsrichtung 11 des Verbindungselements 6 bei einer Schaltbewegung ist parallel der Achse 8, auf welcher die Längsachsen der Schaltstange 7 und des Koppelelements 5 zum Zeitpunkt des Trennschlags liegen.
Bei einem Antrieb, welcher horizontal zum Lagerbock 2 bzw. senkrecht zur Achse 8 benachbart, d. h. in der Figur insbesondere links neben dem Lagerbock 2, angeordnet ist, ist das Verbindungselement 12 entsprechend der Figur an der Bohrung der insbesondere linken Ecke des Hebelelements 3 angeordnet bzw. drehbar befestigt. Die Kraft- bzw. Bewegungsrichtung des Verbindungselements 12 bei einer Schaltbewegung ist senkrecht zur Achse 8, auf welcher die Längsachsen der Schaltstange 7 und des Koppelelements 5 zum Zeitpunkt des Trennschlags liegen.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So können z. B. alle Elemente bzw. Teile der Anordnung 1 in der Figur aus Metall, insbesondere Stahl, Gusseisen und/oder Kupfer sein. Die Führung kann einen Gleitring aus z. B. Teflon, Kunststoff und/oder Gummi aufweisen. Das Gehäuse 10 kann von einem Isolator umfasst sein, in welchem die Vakuumschaltröhre angeordnet ist, jeweils gasdicht abgedichtet im Bereich der Schaltstange 7 über einen Federbalg. Der Isolator kann z. B. aus Silikon, Keramik und/oder einem Verbundwerkstoff sein. Dabei kann das Gehäuse 10 im Isolator, z. B. als Metallrohr, angeordnet sein. Das Gehäuse 10 kann alternativ Teil des Isolators sein. Das Ende der Schaltstange 7 kann als Quader oder kreiszylinderförmig ausgebildet sein, wobei eine Nut in das Ende eingebracht sein kann, in welcher das Koppelelement beweglich eingeschoben und drehbar an der Schaltstange 7 befestigt ist. Das Hebelelement 3 kann z. B. als Parallelepiped oder als Prisma mit dreieckiger Grundfläche, insbesondere mit abgerundeten Kanten ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter
2: Lagerbock
3: Hebelelement
4: Achse am Hebelelement
5: Koppelelement zur Schaltstange
6: Verbindungselement zum Antrieb parallel zur koaxialen Achse
7: Schaltstange
8: koaxiale Achse des Koppelelements und der Schaltstange zum Zeitpunkt eines Trennschlags der Vakuumschaltröhre
9: Führung der Schaltstange
10: Gehäuse
11: Antriebsbewegung des Verbindungselements bei einem Verbindungselement parallel zur koaxialen Achse
12: Verbindungselement zum Antrieb senkrecht zur koaxialen Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0102317 A2 [0004]

Claims

Anordnung (1) zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter, mit einer Schaltstange (7) als Element einer kinematischen Kette des Hochspannungsleistungsschalters, einem um eine Achse (4) drehbarem Hebelelement (3), welches über ein Verbindungselement (6, 12) mechanisch mit einem Antrieb verbindbar ist, sowie mit einem Koppelelement (5), welches ausgebildet ist die Schaltstange (7) mit dem Hebelelement (3) mechanisch beweglich zu koppeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstange (7) und das Koppelelement (5) jeweils eine Längsachse aufweisen, welche zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre im Wesentlichen auf einer gemeinsamen Achse (8) angeordnet sind.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre ein Winkel zwischen den Längsachsen der Schaltstange (7) und des Koppelelements (5) im Bereich von fünf bis null Grad, insbesondere genau null Grad besteht.
Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstange (7) in einem Gehäuse (10), insbesondere einem hohlzylinderförmigen Gehäuse (10) mit einer kreisrunden Grundfläche, über eine Führung (9) geführt ist, insbesondere für eine lineare Bewegung der Schaltstange (7).
Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (5) stabförmig, insbesondere im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist.
Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (5) an einem Ende mit einem Befestigungselement, insbesondere einem Bolzen oder einer Schraube, rotierbar an der Schaltstange (7) befestigt ist und/oder dass das Koppelelement (5) an einem gegenüberliegenden Ende mit einem Befestigungselement, insbesondere einem Bolzen oder einer Schraube, rotierbar am Hebelelement (3) befestigt ist.
Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstange (7) kreiszylinderförmig ausgebildet ist, mit einem quaderförmigen Ende, an welchem das Koppelelement (5) beweglich befestigt ist.
Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelelement (3) in einem Lagerbock (2) um insbesondere eine mittlere Achse (4) drehbar gelagert ist, und/oder über ein Befestigungselement, insbesondere einem Bolzen oder einer Schraube, am Lagerbock (2) beweglich befestigt ist.
Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelelement (3) zwei Hebelarme aufweist, wobei an einem Ende eines Hebelarms das Verbindungselement (6, 12) zum Antrieb befestigt ist.
Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (4) des Hebelelements (3), um welche das Hebelelement (3) drehbar gelagert ist, im Wesentlichen mittig des Hebelelements (3) angeordnet ist, und/oder dass das Koppelelement (5) im Wesentlichen mittig des Hebelelements (3) am Hebelelement (3) beweglich befestigt ist.
Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre die gemeinsame Achse (8) der Schaltstange (7) und des Koppelelements (5) parallel zur Richtung der Antriebsbewegung (11) des Verbindungselements (6) ist, oder dass zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre die gemeinsame Achse (8) der Schaltstange (7) und des Koppelelements (5) senkrecht zur Richtung der Antriebsbewegung des Verbindungselements (12) ist.
Verfahren zum Antreiben eines beweglichen Kontakts einer Vakuumschaltröhre in einem Hochspannungsleistungsschalter, insbesondere mit einer Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein Verbindungselement (6, 12) über einen Antrieb bewegt wird und ein um eine Achse (4) drehbares Hebelelement (3) bewegt, welches über ein Koppelelement (5) die mechanische Bewegungsenergie auf eine Schaltstange (7) überträgt, die als Element einer kinematischen Kette des Hochspannungsleistungsschalters beim Schalten Bewegungsenergie auf den elektrischen Kontakt der Vakuumschaltröhre überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen der Schaltstange (7) und des Koppelelements (5) zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre im Wesentlichen eine gemeinsame Achse ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen der Schaltstange (7) und des Koppelelements (5) zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre einen Winkel kleiner 5 Grad einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zeitpunkt eines Trennschalgs der Vakuumschaltröhre die Kraft senkrecht zur Längsachse der Schaltstange (8) auf die Schaltstange (7) gleich Null wird.