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Die Erfindung betrifft eine Schaltkinematik für Vakuumschaltröhren eines Schalters, insbesondere für Niederspannungs-, Mittelspannungs- und Hochspannungsanlagen, und ein Verfahren zum Anpassen eines auf eine Schalterwelle übertragenen Offenhaltemomentes bei einer Schaltkinematik, insbesondere für Niederspannungs-, Mittelspannungs- und Hochspannungsanlagen.
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Im Bereich der Mittelspannungen und der Hochspannungen, aber auch der Niederspannungen, sind Leistungsschalter bekannt, die Vakuumschaltröhren verwenden. Bei diesen Leistungsschaltern sind die Schaltkontakte aller, zumeist drei Phasen in jeweils einer Vakuumröhre angeordnet. Durch den die Röhre umgebenden Atmosphärendruck wird dauerhaft eine Schließkraft FVI , auf die Röhre ausgeübt, so dass der Schalter ohne weitere Vorkehrungen automatisch schließt. Um solche Vakuumschalter sicher in der geöffneten Position halten zu können, muss eine kompensierende Gegenkraft aufgebracht werden, die größer ist als die durch den Atmosphärendruck erzeugte Schließkräfte FVI aller Röhren im Schalter. Typischerweise wird dazu in einem Schaltgerät eine einzelne Feder, die sogenannten Offenhaltefeder, eingesetzt. Diese eine Offenhaltefeder bewirkt ein Moment, insbesondere ein Drehmoment, TOHF auf die Schalterwelle des jeweiligen Schaltgerätes. Diese Schalterwelle bedient als Zentralwelle gleichzeitig alle Pole, sprich Phasen und Vakuumschaltröhren.
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In der ausgeschalteten Position der Vakuumschaltröhre, also der Position, in der die Schaltkontakte der Vakuumschaltröhre voneinander getrennt sind, gilt, dass das öffnende Drehmoment auf die Schalterwelle größer oder mindestens gleich dem Drehmoment auf die Schalterwelle sein muss, die durch die Schließkräfte FVI , aller Vakuumschaltröhren erzeugt wird, so dass die Pole, zumeist drei, des Schaltgerätes offen gehalten werden. Beim Schließen der Schaltkontakte der Vakuumschaltröhren des Schalters wird die Schalterwelle aus der ausgeschalteten Stellung um einen Winkel φEIN gedreht. Während dieser Einschaltbewegung der Vakuumschaltröhre wird die auf die Schaltwelle wirkende Offenhaltefeder weiter gespannt. Es wird also während der Einschaltbewegung eine Energiemenge EOHF in die Offenhaltefeder gespeichert. Der Antrieb des Vakuumschalters muss also zusätzlich zu sonstigen Energien (z.B.: die Energie zum Komprimieren der Kontaktdruckfedern) auch die Energie EOHF bereitstellen.
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Im Stand der Technik werden daher für unterschiedliche Vakuumschaltröhren mit unterschiedlich großen Schließkräften unterschiedliche Schaltkinematiken mit unterschiedlichen Offenhaltefedern verwendet. Dies führt in der Praxis dazu, dass es eine große Vielfalt an Kombinationen von Vakuumschaltröhren, Schaltkinematiken und/oder Antrieben für die Schalter gibt. Dies wiederum führt zu einer großen Varianz, schlechten Kostenposition und zu längeren Entwicklungszeiten für neue oder geänderte Schaltgeräte.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, die bekannten Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch den unabhängigen Anspruch 1 und die von diesem abhängigen Ansprüche.
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Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Schaltkinematik für Vakuumschaltröhren eines Schalters, insbesondere für Niederspannungs-, Mittelspannungs- und Hochspannungsanlagen, mit einem Antrieb, einer Einschaltfeder , einer ersten Schaltkulisse, die um eine erste Achse drehbar angeordnet ist, einem ersten Schalthebel, auf den die erste Schaltkulisse wirkt, einer Schalterwelle, die mit dem ersten Schalthebel fest verbunden ist und einer Offenhaltefeder, die auf die Schalterwelle wirkt, wobei die Vakuumschaltröhre mindestens zwei Schaltkontakte aufweist, von denen mindestens einer ein Bewegkontakt ist, und die Vakuumschaltröhre zwischen einer ersten Position, in der die Schaltkontakte der Vakuumschaltröhre voneinander getrennt sind, und einer zweiten Position, in der die Schaltkontakte miteinander in Kontakt sind, überführbar ist, wobei die Offenhaltefeder über ein Kurbelelement und ein Übertragungsglied mit der Schalterwelle verbunden ist, und die Offenhaltefeder über das Übertragungsglied und die Schalterwelle auf den ersten Schalthebel wirkt und so an dem Schalthebel nicht direkt angreift.
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Durch die Verlagerung der Offenhaltefeder und deren Ankopplung über ein Übertragungsglied an die Schaltwelle ist eine Optimierung der Offenhaltefeder bei gleichzeitiger Vereinfachung der Anpassung an unterschiedliche Vakuumschaltröhren und Verringerung des notwendigen Energieaufwandes beim Spannen der Feder erreichbar. Die Ankoppelung über das Übertragungsglied stellt einen zusätzlichen Übertragungsmechanismus dar, der auf den ersten Blick aufwendiger erscheint. Die Schaltkinematik bezieht sich hier auf die mechanischen Bestandteile des Schalters, die die Schaltbewegung auf die Vakuumschaltröhre übertragen und den Antrieb des Schalters, also auch zum Spannen der Federn.
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Bevorzugt wird, dass das Übertragungsglied derart ausgelegt ist, dass das Übertragungsglied ein Offenhaltemoment TOHF der Offenhaltefeder auf die Schalterwelle umso weiter sinkt, je weiter sich die Schaltkontakte der Vakuumschaltröhre der zweiten Position annähern.
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Auch wird bevorzugt, dass das Offenhaltemoment TOHF der Offenhaltefeder, das auf die Schalterwelle wirkt, in der ersten Position der Vakuumschaltröhre größer null ist und in der zweiten Position nicht kleiner als null ist und weiter bevorzugt in der zweiten Position kleiner ist als in der ersten Position.
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Weiter wird bevorzugt, dass das Offenhaltemoment TOHF der Offenhaltefeder, das auf die Schalterwelle wirkt, in der ersten Position der Vakuumschaltröhre größer null ist und in der zweiten Position kleiner als null ist. Diese Anordnung erfordert das Durchfahren durch eine Streckposition von einem Schalterwellenhebel, also dem Angriffspunkt an dem das Übertragungsglied über einen Hebel auf die Schalterwelle wirkt, und Übertragungsglied, was insbesondere, aber nicht notwendigerweise, durch Ausnutzung von Dynamischen Effekten, wie der Trägheit, möglich ist.
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Bevorzugt wird, dass die Offenhaltefeder an einem Kurbelelement befestigt ist, und das Kurbelelement zwischen dem Übertragungsglied und einem Befestigungselement angeordnet beweglich ist.
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Auch wird bevorzugt, dass das Kurbelelement ein beweglich angeordnetes Ablenkelement aufweist, das Übertragungsglied beweglich mit einer Übersetzungskurbel verbunden ist, die Übersetzungskurbel wiederum beweglich mit dem Befestigungselement verbunden ist, und das die Offenhaltefeder über das Ablenkelement auf Übersetzungskurbel wirkt und so das Offenhaltemoment TOHF auf das Übertragungsglied überträgt.
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Eine derartige Schaltkinematik ermöglicht eine einfache und kostengünstige Anpassung der Schaltkinematik an unterschiedliche Anforderungen von Vakuumschaltröhren und Antrieb.
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Weiter wird bevorzugt, dass eine Änderung der Form der Übersetzungskurbel eine Änderung des über das Übertragungsglied übertagenden Offenhaltemomentes auf die Schalterwelle bewirkt.
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Bevorzugt wird weiter ein Schalter mit einer oder mehr Schaltkinematiken nach einer der vorstehenden Ausführungen, insbesondere mit einer oder mehr Vakuumschaltröhren.
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Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zum Anpassen eines auf eine Schalterwelle übertragenen Offenhaltemomentes TOHF , wobei bei einer Schaltkinematik gemäß einer der vorstehenden Ausführungen das Übertragungsglied und/oder die Übersetzungskurbel an die Anforderungen des jeweiligen Schalters angepasst werden
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Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von Figuren näher erläutert:
- 1: Schematische Darstellung der kinematischen Kette eines Schalters mit Vakuumröhren;
- 2: Beispielhafte Darstellung eines Schalters mit drei Vakuumschaltröhren zum Schalten von drei Phasen;
- 3: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltkinematik mit einem Übertragungsglied;
- 4: Erfindungsgemäße Schaltkinematik mit einem Übertragungsglied und einer Übersetzungskurbel;
- 5: Graphische Darstellung des Drehmomentes TOHF in Abhängigkeit des Drehwinkels φ der Schaltwelle;
- 6: Exemplarische Darstellung des Drehmomentes TOHF verschiedener Übertragungsmechanismen in Abhängigkeit des Drehwinkels φ der Schaltwelle;.
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Die 1 zeigt schematisch eine Schaltkinematik aus dem Stand der Technik für ein Schaltgerät mit Vakuumschaltröhren 5. Nicht dargestellt ist der Antrieb zum Spannen der Einschaltfeder 20. Die Einschaltfeder 20 wirkt bei dieser Schaltkinematik auf eine erste Schaltkulisse 30, die um eine erste Achse 40 drehbar gelagert ist. Diese erste Schaltkulisse 30 wirkt über eine Rolle 60 auf einen ersten Schalthebel 50. Der erste Schalthebel 50 ist an einer Schalterwelle 70 drehbar gelagert. Desweiteren wirkt am Punkt 52 des ersten Schalthebels 50 die Offenhaltefeder 90 über den ersten Schalthebel 50 auf die Schaltwelle 70. Am Punkt 54 des ersten Schalthebels 50 ist der Abzweig mit der Kontaktdruckfeder 80 angeordnet, der wiederum am Punkt 100 mit der Schaltwippe 105 verbunden ist. Die Schaltwippe 105 ist an der Achse 110 drehbar gelagert. Am Punkt 120 der Schaltwippe 105 wird in der Kulisse 130 die Bewegung auf den Bewegkontakt der Vakuumschaltröhre 5 umgeleitet. Der Pfeil 6 zeigt die Richtung der Schließkraft FVI , an. Der Pfeil 91 zeigt die Richtung des Drehmomentes TOHF der Offenhaltefeder an. Der Pfeil 92 zeigt die Richtung an, in die die Offenhaltefeder 90 auf den ersten Schalthebel 50 wirkt.
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Die 2 zeigt ein Beispiel für einen Schalter 1 für drei Phasen mit drei Vakuumschaltröhren 5.
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Die 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltkulisse 10. Der Übersichtlichkeit halber zeigt die Darstellung nur die Schalterwelle 470 und diejenigen Komponenten der Schaltkinematik 10, die die Federkraft der Offenhaltefeder 190 auf die Schalterwelle 470 übertragen. Die Offenhaltefeder 190 wird an einer Seite 195 im Schalter 1 befestigt. Die Offenhaltefeder 190 wirkt mit ihrer anderen Seite auf Kurbelelement 490 und über dieses auf ein Übertragungsglied 480, das mit der Schaltwelle 470 verbunden ist. Das Kurbelelement 490 ist mit einem Befestigungselement 400 am Schalter 1 befestigt. Die Verbindung mit der Schalterwelle 470 kann über ein nicht gezeigtes, fest mit der Schalterwelle 470 verbundenes Hebelelement erfolgen, mit dem das Übertragungsglied 480 gelenkig und/oder beweglich verbunden ist.
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Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltkinematik 10. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Offenhaltefeder 190 mit einer Seite 195 an dem Schalter befestigt. Das andere Ende der Offenhaltefeder 190 greift am Kurbelelement 490 an. Das Kurbelelement 490 wiederum ist drehbar mit dem Befestigungselement 400 verbunden. Außerdem verfügt das Kurbelelement 490 über ein Ablenkelement 510, hier bevorzugt eine Rolle, die wiederum auf eine Übersetzungskurbel 610 wirkt, die ebenfalls am Befestigungselement 400 drehbar befestigt ist. An der Übersetzungskurbel 610 ist das Übertragungsglied 480 befestigt, dessen andere Seite an der Schalterwelle 470 befestigt ist und so die Federkrafft der Offenhaltefeder 190 als Drehmoment auf die Schalterwelle 470 überträgt, wobei das Drehmoment wesentlich durch die Form der Übersetzungskurbel 610 bestimmt wird. Die Verbindung mit der Schalterwelle 470 kann über ein nicht gezeigtes, fest mit der Schalterwelle 470 verbundenes Hebelelement erfolgen, mit dem das Übertragungsglied 480 gelenkig und/oder beweglich verbunden ist.
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Die 5 zeigt eine graphische Darstellung bei der das Offenhaltemoment TOHF gegen den Drehwinkel φ der Schalterwelle 470 aufgetragen ist. Die Kurve 5010 zeigt am Winkel φAUS das benötigte Offenhaltemoment TAUS , wie es bei Schaltkinematiken aus dem Stand der Techniken benötigt wird. Die schraffierte Fläche 5020 unter der Kurve 5010 entspricht der Energie EOHF , die notwendig ist, um die Offenhaltefeder während des Schließvorgangs des Schalters zu spannen. Die Abschnitte φAUS und φEIN markieren die Drehwinkel der Schalterwelle einmal im ausgeschalteten Zustand, also der Position, in der die Schaltkontakte der Vakuumschaltröhre 5 getrennt sind und den eingeschalteten Zustand, in dem die Schaltkontakte der Vakuumschaltröhre 5 geschlossen sind.
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Die Kurve 5000 zeigt eine Kurve für das Offenhaltemoment TAUS,* für eine Vakuumschaltröhre mit einer größeren Schließkraft FVI,* . Wie ohne Weiteres zu erkennen ist, ist die Fläche unter der Kurve 5000 größer als die Fläche unter der Kurve 5010, die mit 5020 bezeichnet ist. Daraus folgt, dass eine Vakuumschaltröhre mit einer erhöhten Schließkraft FVI,* auch mehr Energie zum Spannen der Feder, also die Energie EOHF,* benötigt und somit größere Anforderungen an den Antrieb des Schalters 1 stellt.
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Die 6 zeigt verschiedene Offenhaltemomentkurven 6010, 6100, 6200 und 6300 für unterschiedliche Ankopplungen der jeweiligen Offenhaltefeder 90, 190 aus den 1. 3 und 4. Die Kurve 6010 zeigt das Offenhaltemoment aus einer Schaltkinematik aus dem Stand der Technik, wie in 1 und 5 dargestellt. Die Kurve 6100 stellt beispielhaft das Offenhaltemoment für das Ausführungsbeispiel aus 3 dar, bei der das auf die Schalterwelle wirkende Offenhaltemoment TOHF um so weiter sinkt, je weiter sich der Schalter in Richtung der EIN-Position bewegt, also in der die Schaltkontakte der Vakuumschaltröhre 5 aus 1 geschlossen sind. In diesem Ausführungsbeispiel bleibt das Offenhaltemoment TOHF stets größer 0. Es wird umso weniger Energie erforderlich, je stärker sich der Mechanismus einer Strecklage von Übertragungsglied 480 und Kurbelelement 490 nähert, wobei die Strecklage nicht erreicht wird, solange das Offenhaltemoment TOHF positiv bleiben soll. Die Kurve 6200 für das Offenhaltemoment TOHF ist ebenfalls für das Ausführungsbeispiel gemäß 3. Allerdings sinkt das Offenhaltemoment TOHF in diesem Fall ab einem bestimmten Schalterwellenwinkel φ auf negative Werte und dadurch unterstützt die Offenhaltefeder 190 den Schließvorgang der Vakuumschaltröhre 5, die in 3 nicht dargestellt ist. Ein solches Verhalten wird erreicht, indem der Mechanismus aus der 3 so ausgelegt wird, dass eine Strecklage zwischen dem Übertragungsglied 480 und Kurbelelement 490 durchfahren oder überschritten wird. Dies ist insbesondere unter Ausnutzung von dynamischen Effekten aufgrund der Trägheit des Gesamtsystems möglich. In dem Punkt, in dem die Strecklage durch fahren wird, geht die Offenhaltemomentkennlinie TOHF durch Null. Diese Konfiguration ist, was die Schließenergie angeht, nochmals günstiger als die Konfiguration der Kurve 6100 und führt im Extremfall sogar dazu, dass das Spannen der Offenhaltefeder in Summe keine Antriebsenergie EOHF fordert, sondern sogar Energie bereitstellen kann.
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Die Kurve 6300 zeigt eine beispielhafte Kurve für die Konfiguration aus der 4. Dieser Ansatz liefert eine größtmögliche Flexibilität hinsichtlich der Offenhaltemomentenkurve TOHF . Durch gezielte Gestaltung der Geometrie der in 4 dargestellten Übersetzungskurbel 610 lässt sich das Offenhaltemoment TOHF bei einem beliebigen Winkel φ der Schalterwelle 470 auf den Wert Null setzen. Ab diesem Drehwinkel wird dann keine weitere Energie in die Offenhaltefeder 190 gespeichert, was heißt, dass die Feder nicht weiter gespannt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schalter;
- 5
- Vakuumschaltröhre;
- 6
- Pfeil in Richtung der Schließkraft FVI , der Vakuumschaltröhre 5;
- 7
- Bewegkontakt der Vakuumschaltröhre 5;
- 10
- Schaltkinematik;
- 20
- Einschaltfeder;
- 30
- ersten Schaltkulisse;
- 40
- erste Achse der ersten Schaltkulisse 30;
- 50
- erster Schalthebel;
- 52
- Punkt am ersten Schalthebel 50;
- 54
- Punkt am ersten Schalthebel 50;;
- 60
- Rolle;
- 70
- Schalterwelle;
- 80
- Kontaktdruckfeder;
- 90
- Offenhaltefeder;
- 92
- Pfeil in die Richtung, in die die Offenhaltefeder 90 auf den ersten Schalthebel 50 wirkt;
- 100
- Punkt an der Schaltwippe 105;
- 105
- Schaltwippe;
- 110
- Achse der Schaltwippe 105;
- 120
- Punkt an der Schaltwippe 105;
- 130
- Kulisse 130 zur Übertragung des Schaltvorganges auf die Vakuumschaltröhre 5;
- 190
- Offenhaltefeder;
- 195
- Seite an dem die Offenhaltefeder 190 im Schalter 1 befestigt ist;
- 400
- Befestigungselement;
- 470
- Schalterwelle;
- 480
- Übertragungsglied;
- 490
- Kurbelelement;
- 510
- Ablenkelement;
- 610
- Übersetzungskurbel;
- 5000
- Kurve für das Offenhaltemoment TAUS,* ;
- 5010
- Kurve für das Offenhaltemoment TAUS ;
- 5020
- schraffierte Fläche unter der Kurve 5010 = Energie EOHF;
- 6010
- Kurve für das Offenhaltemoment TAUS aus 5;
- 6100
- Offenhaltemoment für das Ausführungsbeispiel aus 3;
- 6200
- Offenhaltemoment für ein weiteres Ausführungsbeispiel aus 3;
- 6300
- Offenhaltemoment für das Ausführungsbeispiel aus 4;
