-
Die Erfindung betrifft einen Erdungsschalter für eine Mittel- und/oder Hochspannungs-Schaltungseinrichtung, wobei der Erdungsschalter zum Erden eines Kontaktelements der Schaltungseinrichtung ein bewegbares Schaltelement und eine am freien Ende des Schaltelements angeordnete Kontaktanordnung aufweist, die einen Hauptkontakt und einen Hilfskontakt zum elektrischen Kontaktieren des Kontaktelements umfasst, wobei das Schaltelement zwischen einer ersten Position bei dem weder Haupt- noch Hilfskontakt das Kontaktelement elektrisch kontaktieren und einer zweiten Position bei dem sowohl der Hauptkontakt als auch der Hilfskontakt das Kontaktelement elektrisch kontaktieren hin und her bewegbar ist und wobei das Kontaktelement eine Struktur für den elektrischen Kontakt zum Hilfskontakt aufweist.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Schaltvorrichtung mit einem derartigen Erdungsschalter.
-
Beim Ein- und Ausschalten eingekoppelter Ströme mit Erdungsschaltern entstehen, je nach Spannungsebene und im Besonders beim Ausschalten -hervorgerufen durch die kontinuierlich fließenden Ströme-, ein Schaltlichtbogen. Insbesondere ab 420kV-Spannungsebene kann sich ein Schaltlichtbogen über den ganzen Ausschaltweg des Erdungsschalters erstrecken, bzw. erst nach Stillstand der Erdungsschaltungsanordnung in die „Aus“-Stellung thermisch erlöschen.
-
Zum Schutz von Hauptkontaktsystemen vor Schäden, welche durch Schaltlichtbögen (Lichtbogen-Fußpunkte) hervorgerufen werden, ist es bei Schaltanlagen durchaus üblich Hilfskontaktsysteme zu installieren - Schutz der Hauptkontaktsysteme vor Schäden durch Schaltlichtbögen. Gegebenenfalls ist es auch notwendig benachbarte Schaltanlagenteile vor den Schaltlichtbögen zu schützen, da der Schaltlichtbogen bei thermischer Ausbreitung in benachbarte Schaltanlagenabschnitte kommutieren und benachbarte Analgenteile beschädigen kann oder z.B. einen Kurzschluss hervorruft.
-
Die Druckschrift
DE 199 49 493 A1 zeigt einen Erdungsschalter für eine Mittelspannungs-Schaltungseinrichtung, wobei der Erdungsschalter zum Erden eines Kontaktstücks der Schaltungseinrichtung ein bewegbares Schaltelement und eine am freien Ende des Schaltelements angeordnete Kontaktanordnung aufweist, die zwei Kontaktmesser als Hauptkontakt und ein Vorzündhorn als Hilfskontakt zum elektrischen Kontaktieren des Kontaktstücks umfasst, wobei das Schaltelement zwischen einer ersten Position bei dem weder Haupt- noch Hilfskontakt das Kontaktstück elektrisch kontaktieren und einer zweiten Position bei dem sowohl der Hauptkontakt als auch der Hilfskontakt das Kontaktstück elektrisch kontaktieren hin und her bewegbar ist und wobei das Kontaktstück eine als Schlitz ausgebildete Struktur für den elektrischen Kontakt zum Hilfskontakt aufweist. Beim Einschalten des Erdungsschalters wirkt der Hilfskontakt gegenüber dem Hauptkontakt als voreilender Kontakt.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, durch die der Erdungsschalter sehr abrupt öffnet.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Erdungsschalter für eine Mittel- und/oder Hochspannungs-Schaltungseinrichtung, bei dem der Erdungsschalter zum Erden eines Kontaktelements der Schaltungseinrichtung ein bewegbares Schaltelement und eine am freien Ende des Schaltelements angeordnete Kontaktanordnung aufweist, die einen Hauptkontakt und einen Hilfskontakt zum elektrischen Kontaktieren des Kontaktelements umfasst, wobei das Schaltelement zwischen einer ersten Position bei dem weder Haupt- noch Hilfskontakt das Kontaktelement elektrisch kontaktieren und einer zweiten Position bei dem sowohl der Hauptkontakt als auch der Hilfskontakt das Kontaktelement elektrisch kontaktieren hin und her bewegbar ist und wobei das Kontaktelement eine Struktur für den elektrischen Kontakt zum Hilfskontakt aufweist, ist vorgesehen, dass der Hilfskontakt von einem biegesteifen Arm der Kontaktanordnung gebildet wird, wobei der Hauptkontakt innerhalb der Kontaktanordnung feststehend angeordnet ist.
-
Der den Hilfskontakt bildende biegesteife Arm kann nun so auf die Struktur des Kontaktelements zum elektrischen Kontaktieren des Hilfskontakts abgestimmt sein, dass er sich beim Öffnen des Erdungsschalters mit einer federnden Schnapp-Bewegung vom Kontaktelement löst. Auf diese Weise öffnet der Erdungsschalter sehr abrupt zu einem Zeitpunkt, bei dem der Hauptkontakt schon relativ weit entfernt vom Kontaktelement ist.
-
Der Kontaktschalter ist in der Regel als Anordnung von Elementen des Kontaktschalters zu verstehen, also als eine Kontaktschalteranordnung. Eines dieser Elemente ist dann das Kontaktelement mit seiner Struktur zum elektrischen Kontaktieren des Hilfskontakts. Dieses Element ist in der OffenStellung des Kontaktschalters separat von den anderen Elementen des Kontaktschalters.
-
Es ergibt sich ein Hauptkontaktsystem mit dem Hauptkontakt und dem Kontaktelement als Kontakt und Gegenkontakt sowie ein Hilfskontaktsystem mit dem Hilfskontakt und der Struktur des Kontaktelements als Kontakt und Gegenkontakt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Struktur des Kontaktelements zum elektrischen Kontaktieren des Hilfskontakts als eine vom biegesteifen Arm hintergreifbare Hintergriffstruktur mit Einlaufschräge ausgebildet. Diese Struktur ist insbesondere eine Nasenstruktur, also eine Struktur in Form einer Nase. Durch diese Form wird der Hilfskontakt beim Schließen des Erdungsschalters über die Einlaufschräge sanft in eine entsprechende Hintergriff-Position an der Hintergriffstruktur gebracht und schnappt oder peitscht beim Öffnen abrupt vom Kontaktelement weg.
-
Insbesondere ist vorgesehen, dass Haupt- und Hilfskontakt derart angeordnet sind, dass der Hilfskontakt als ein vorauseilender Hilfskontakt ausgebildet ist, der das Kontaktelements beim Schließen des Erdungsschalters vor dem Hauptkontakt kontaktiert.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Erdungsschalter an einem Basiselement bewegbar gelagert. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Erdung des Kontaktelements über das Basiselement erfolgt. Dazu wird bzw. ist das Basiselement geerdet.
-
Bezüglich des Basiselements ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Schaltungseinrichtung das Basiselement aufweist und der Erdungsschalter als Anbau-Erdungsschalter ausgebildet ist.
-
Bezüglich des erfindungsgemäßen Erdungsschalters ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass der Hauptkontakt von einem starren Arm der Kontaktanordnung gebildet wird, wobei sich die Kontaktanordnung über die beiden Arme verzweigt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters ist der biegesteife Arm über eine Drehfeder in die Kontaktanordnung eingebunden. Dadurch ist ein Vorspannen des biegesteifen Arms möglich. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Drehfeder am freien Ende des starren Arms angeordnet ist.
-
Bei der erfindungsgemäßen Mittel- und/oder Hochspannungs-Schaltungseinrichtung mit einem Erdungsschalter, der zum Erden eines Kontaktelements ein bewegbares Schaltelement und eine am freien Ende des Schaltelements angeordnete Kontaktanordnung aufweist, ist vorgesehen, dass der Erdungsschalter ein vorstehend genannter Erdungsschalter ist. Das Kontaktelement ist eine Komponente des Erdungsschalters oder zumindest eine Komponente der Mittel- und/oder Hochspannungs-Schaltungseinrichtung.
-
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 einen Teil einer Mittel- und/oder Hochspannungs-Schaltungseinrichtung mit einem Erdungsschalter gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 den Bewegungsablauf bei Schließen des in 1 gezeigten Erdungsschalters,
- 3 den Bewegungsablauf bei Öffnen des in 1 gezeigten Erdungsschalters,
- 4 den Bewegungsablauf bei Schließen eines Erdungsschalters mit abgeändertem Hilfskontakt,
- 5 den Bewegungsablauf bei Öffnen des Erdungsschalters mit abgeändertem Hilfskontakt,
- 6 den Bewegungsablauf bei Schließen eines Erdungsschalters mit anders abgeändertem Hilfskontakt und
- 7 den Bewegungsablauf bei Öffnen des Erdungsschalters mit anders abgeändertem Hilfskontakt.
-
Die 1 zeigt einen Teil einer Mittel- und/oder Hochspannungs-Schaltungseinrichtung 10 inklusive eines Erdungsschalters 12 für diese Mittel- und/oder Hochspannungs-Schaltungseinrichtung 10. Der Erdungsschalter 12 ist dabei als sogenannter Anbauerder ausgebildet und der gezeigte Teil der Schaltungseinrichtung 10 besteht aus einem als Grundplatte ausgebildeten Basiselement 14, welches einen Isolator 16 trägt, auf dem ein Kontaktelement 18 angeordnet ist, das über den Isolator 16 vom Basiselement 14 elektrisch isoliert ist.
-
Der Erdungsschalter 12 weist ein Schaltelement 20 zum Erden eines vom Kontaktelement 18 gebildeten Gegenkontakts auf. Das Kontaktelement 18 kann als Komponente des Erdungsschalters 12 aufgefasst werden, ist jedoch immer Teil der Mittel- und/oder Hochspannungs-Schaltungseinrichtung 10, in die der Erdungsschalter 12 eingebunden ist. Das Kontaktelement 18 weist eine Struktur 22 auf, auf deren Form und Funktion im Folgenden im Zusammenhang mit den einzelnen Komponenten des Schaltelements 20 noch einmal ausführlich eingegangen wird.
-
Das Schaltelement 20 ist über ein Lager 24 am Basiselement 14 bewegbar, genauer gesagt schwenkbar, gelagert (Doppelpfeil 26) und weist an seinem freien Ende 28 eine Kontaktanordnung 30 auf. Die Kontaktanordnung 30 weist ihrerseits einen starren Arm 32 auf, der einen Hauptkontakt 34 des Schaltelements 20 bildet. An einem Abzweig 36 der Kontaktanordnung 30 zweigt sich ein biegesteifer Arm 38 ab, der einen Hilfskontakt 40 der Kontaktanordnung 30 bildet. Der Begriff Kontakt bezieht sich dabei natürlich insbesondere auf einen elektrischen Kontakt. Man kann die beiden Arme 32, 38 daher auch als Kontaktarme 32, 38 bezeichnen. Am freien Ende des biegesteifer Arms 38 befindet sich ein kugelförmiges Abschlusselement 42 des Hilfskontakts 40. Bevorzugt ist der biegesteife Arm 38 aus Aluminium und die Struktur 22 des Kontaktelements 18 aus Edelstahl.
-
Es ergibt sich also eine Kontaktanordnung 30 mit einem Hauptkontakt 32 und einem Hilfskontakt 40 zum jeweiligen elektrischen Kontaktieren des Kontaktelements 18 bzw. von entsprechenden Strukturen 18 dieses Kontaktelements. Der Hauptkontakt 32 kontaktiert dabei die Basis des Kontaktelements 18 und der Hilfskontakt 40 kontaktiert das Kontaktelement 18 über die besagte Struktur 22 des Kontaktelements 18.
-
Die Struktur 22 des Kontaktelements 18 ist zum elektrischen Kontaktieren des Hilfskontakts 40 als eine vom biegesteifen Arm 38 hintergreifbare Hintergriffstruktur mit Einlaufschräge ausgebildet. Diese Struktur 22 ist dabei insbesondere eine nasenförmige Struktur 22. Durch diese Form wird der Hilfskontakt 40 beim Schließen des Erdungsschalters 12 über die Einlaufschräge sanft in eine entsprechende Hintergriff-Position an der Hintergriffstruktur 22 gebracht und schnappt oder peitscht beim Öffnen abrupt vom Kontaktelement 18 weg.
-
Der hier gezeigte Erdungsschalter 12 ist ein Erdungsschalter 12 in der Bauform eines sogenannten Anbauerders für Trennschalter jeder Bauart. Er kann jedoch auch als alleinstehender Erdungsschalter 12 ausgebildet sein.
-
Der Hilfskontakt 40 wird konkret von einem Aluminiumstab (konisch, AL 7075 T6) und die Struktur 22 des Kontaktelements 18 von einer Edelstahlnase gebildet.
-
Die Edelstahlnase ist, wie gesagt, Bestandteil des festen Kontaktelements 18 des Erdungsschalters 12 und der konische Aluminiumstab ist Bestandteil der über das Schaltelement 20 bewegbaren Kontaktanordnung 30 des Erdungsschalters 12. Der konische Aluminiumstab hat am freien Ende ein kleines Abschlusselement 42 aus Edelstahl zur dielektrischen Abschirmung und zur Aufnahme des Schaltlichtbogens.
-
Die Gestaltung des Hilfskontaktes 40 ist im Einzelnen also durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
- - Aluminiumstab (über den Abzweig 36 befestigt am Schaltelement 20) mit
- o Material AL 7075 T6 (bestimmte Flexibilität, Federcharakteristik, gute Leitfähigkeit),
- o konischer Form (ermöglicht Flexibilität über die ganze Länge des Stabes) und
- o rundem Abschlusselement 42 aus Edelstahl.
-
Die als Hilfs-Gegenkontakt dienende Struktur 22 ist eine Edelstahlnase, die Teil des als Gegenkontakt dienenden Kontaktelements 18 ist.
-
Die 2 bis 7 zeigen nun verschiedene Varianten des Erdungsschalters 12 und dessen Bewegungsablauf beim Schließen (Pfeil 44) und beim Öffnen (Pfeil 46).
-
Dabei ergibt sich die folgende Wirkungsweise des Hilfskontaktes 40:
-
Beim Einschalten des Erdungsschalters 12 (2, 4 und 6) wirkt der Hilfskontakt 40 als voreilender Kontakt bezüglich des Hauptkontakts 34 der Kontaktanordnung 30 des Erdungsschalters 12. Der als Aluminiumstab mit dem runden Abschlusselement 42 aus Edelstahl ausgebildete biegesteife Arm 38 kontaktiert während des Laufes des Hauptkontaktsystems 18, 34 mit der Einlaufschräge der als Edelstahlnase ausgebildeten Struktur 22, bis der Arm 38 dann durch die weitere Bewegung der Kontaktanordnung 30 bei der Struktur 22 einrastet. Der Strompfad ist durch das Hilfskontaktsystem 22, 38, 42 geschlossen und das Hauptkontaktsystem 18, 32 kann Spannungsfrei einschalten.
-
Beim Ausschalten des Erdungsschalters 12 (3, 5 und 7) ist das Hilfskontaktsystem 22, 38, 42 noch geschlossen. Das Hauptkontaktsystem 18, 32 des Erdungsschalters 12 kann Spannungsfrei öffnen. Die als Edelstahlnase ausgebildete Struktur 22 verhindert, dass der als Aluminiumstab ausgebildete biegesteife Arm 38 des Hilfskontakts 40 sich beim Öffnen mit dem vom starren Arm 32 (Erderarm) gebildeten Hauptkontakt 34 mit in Richtung „Aus“ bewegt. Der biegesteife Arm 38 spannt sich (ähnlich einer Peitsche), bis die überstehende Länge des biegesteifen Arms 38 durch die nasenförmige Struktur 22 abgelaufen ist. Verlässt der biegesteife Arm 38 die Struktur 22, peitscht er in seine Ausgangslage zurück (Pfeil 48). Der elektrische Kontakt des Hilfskontaktsystems 22, 38, 42 öffnet sich dadurch mit sehr hoher Geschwindigkeit. Durch das sehr schnelle Schalten des Hilfskontaktsystems 22, 38, 42 wird ein Schaltlichtbogen vermieden oder ist nur schwach oder minimal ausgeprägt.
-
Die 2 zeigt den Bewegungsablauf bei Schließen des in 1 gezeigten Erdungsschalters 12 und die 3 zeigt den Bewegungsablauf bei Öffnen des in 1 gezeigten Erdungsschalters 12.
-
Diese Variante wird im Folgenden als Hilfskontaktsystem 22, 38, 42 mit kurzem biegesteifem Arm 38 (insbesondere Aluminiumstab) bezeichnet.
-
Es ergeben sich folgende Schaltreihenfolge sowie folgende Vor- und Nachteile dieser Variante:
- Einschaltung: Kontaktierung Hilfskontaktsystem 22, 38, 42 -> Kontaktierung Hauptkontaktsystem 18, 32.
- Ausschaltung: Ausschaltung Hauptkontaktsystem -> Vorspannen Hilfskontaktsystem 22, 38, 42 -> Schnelles Abschalten.
-
Vorteile:
-
kostengünstige Variante zum Schalten kleiner induzierter Ströme und Spannungen bis Nennspannungsebene 245 kV (bei detaillierter Auskonstruktion einzuschränken oder zu erweitern) .
-
Nachteile:
-
Verletzung der Schlagweite der ungünstigen Erderstellung bei derart ausgestalteten Anbauerdern, durch den Überstand des als Aluminiumstab ausgebildeten biegesteifen Arms 38, möglich (eventuelle Notwendigkeit der Vermeidung durch Konstruktionsanpassungen am Basiselement 14).
-
Die 4 zeigt den Bewegungsablauf bei Schließen einer Variante des Erdungsschalters 12 mit leicht geändertem Hilfskontakt 40. Die 5 zeigt den Bewegungsablauf bei Öffnen des bereits in 4 gezeigten Erdungsschalters 12.
-
Diese Variante wird im Folgenden als Hilfskontaktsystem 22, 38, 42 mit langem biegesteifen Arm 38 (insbesondere Aluminiumstab) bezeichnet.
-
Es ergeben sich folgende Schaltreihenfolge sowie folgende Vor- und Nachteile dieser Variante:
- Einschaltung: Kontaktierung Hilfskontaktsystem 22, 38, 42 -> Kontaktierung Hauptkontaktsystem 18, 32.
- Ausschaltung: Ausschaltung Hauptkontaktsystem -> Vorspannen Hilfskontaktsystem -> Schnelles Abschalten.
-
Vorteile:
-
kostengünstige Variante zum Schalten induzierter Ströme und Spannungen der Nennspannungsebene 245 bis 420 kV (bei detaillierter Auskonstruktion einzuschränken oder zu erweitern).
-
Nachteile:
-
Verletzung der Schlagweite der ungünstigen Erderstellung bei derart ausgestalteten Anbauerdern, durch den Überstand des als Aluminiumstab ausgebildeten biegesteifen Arms 38, möglich (eventuelle Notwendigkeit der Vermeidung durch Konstruktionsanpassungen am Basiselement 14).
-
Die 6 zeigt den Bewegungsablauf bei Schließen einer weiteren Variante des Erdungsschalters 12 mit leicht geändertem Hilfskontakt 40. Die 7 zeigt den Bewegungsablauf bei Öffnen des bereits in 4 gezeigten Erdungsschalters 12. Bei dieser Variante ist der biegesteife Arm 38 am freien Ende des starren Arms 32 befestigt und weist mit seinem freien Ende in die entgegengesetzte Richtung wie der starre Arm 32 („hängende Befestigung“).
-
Diese Variante wird im Folgenden als Hilfskontaktsystem 22, 38, 42 mit langem biegesteifen Arm 38 (insbesondere Aluminiumstab) und Federunterstützung bezeichnet.
-
Diese Variante mit zusätzlichem Federelement, hier einer Drehfeder 50, am festen Ende des Aluminiumstabes und hängender Befestigung des Aluminiumstabes erzeugt eine besonders schnelle Schaltgeschwindigkeit.
-
Es ergeben sich folgende Schaltreihenfolge sowie folgende Vor- und Nachteile dieser Variante:
- Einschaltung: Kontaktierung Hilfskontaktsystem -> Kontaktierung Hauptkontaktsystem.
- Ausschaltung: Ausschaltung Hauptkontaktsystem -> Vorspannen Hilfskontaktsystem -> Schnelles Abschalten.
-
Vorteile:
-
Variante zum Schalten induzierter Ströme und Spannungen der Nennspannungsebene ab 420kV (bei detaillierter Auskonstruktion einzuschränken oder zu erweitern). Bauartbedingt keine Verletzung der Schlagweite der ungünstigen Erderstellung bei Anbauerdern, durch den Überstand des als Aluminiumstab ausgebildeten biegesteifen Arms 38.
-
Nachteile:
-
Aufwendiger und kostenintensiver als die Varianten ohne Drehfeder.
-
Durch den Einsatz der Hilfskontaktanordnung ergeben sich folgende Vorteile:
- - Läuft beim Öffnungsvorgang der Erdungsschalter nach und schütz damit den Hauptkontakt (Schalten kapazitiver und induktiver Restströme).
- - Nachlauf ist durch Durchmesser und Länge des Aluminiumstabes anpassbar.
- - Die Geschwindigkeit, damit auch die Schaltleistung des Hilfskontaktes, ist durch die Flexibilität des Aluminiumstabes bestimmt und damit durch Durchmesser und Länge des Aluminiumstabes anpassbar.
- - Minimierung des Einsatzes von Aluminium und von Edelstahl im Vergleich zu den herkömmlichen Lösungen und Verzicht auf den Einsatz von weiteren Sondermaterialien wie z.B. Wolfram.
- - Durch den Einsatz der geringen Masse ist ein schnelleres Beschleunigen des Stabes (eine höhere Schaltgeschwindigkeit) gegenüber Systemen mit massiven Hilfskontakten und Federunterstützung möglich
- - Einsatz in Erdungsschaltern nur mit Schwenkbewegung und in Erdungsschaltern mit Schwenk-Schub-Bewegung.
- - Im Besonderen ermöglicht die Elastizität des gewählten Aluminiums eine so hohe Geschwindigkeit beim Verlassen des Edelstahlhakens, dass praktisch kein Lichtbogen entsteht (zeitlich so kurz, dass quasi lichtbogenfrei geschaltet werden kann - ,no-arc feature‘). Im Vergleich dazu führen herkömmliche Lösungen immer zu lang anstehenden (großen) Lichtbögen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Mittel- und/oder Hochspannungs-Schaltungseinrichtung
- 12
- Erdungsschalter
- 14
- Basiselement
- 16
- Isolator
- 18
- Kontaktelement
- 20
- Schaltelement
- 22
- Nasenstruktur
- 24
- Lager
- 26
- Doppelpfeil (Schwenkbewegung)
- 28
- freies Ende
- 30
- Kontaktanordnung
- 32
- starrer Arm
- 34
- Hauptkontakt
- 36
- Abzweig
- 38
- biegesteifer Arm
- 40
- Hilfskontakt
- 42
- Abschlusselement
- 44
- Pfeil
- 46
- Pfeil
- 48
- Pfeil
- 50
- Drehfeder
-
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
-
