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Die Erfindung betrifft ein Stromunterbrechersystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei der Verwendung von Vakuumschaltröhren für eine Hochspannungsanwendung ist es häufig wirtschaftlich günstiger, zwei oder mehrere Vakuumschaltröhren in Serie zu schalten, um die erforderliche Spannungsfestigkeit zu erzielen. Bauartbedingt kommt es bei dieser Serienschaltung dazu, dass konstruktiv unterschiedliche Vakuumschaltröhren gleichzeitig geschaltet werden müssen. Hierzu wird üblicherweise jede Schaltröhre mit einem eigenen Antrieb bzw. einem eigenen Antriebssystem versehen, wobei die Antriebssysteme miteinander synchronisiert sind. Eine ähnliche Herausforderung stellt sich dann, wenn eine Vakuumschaltröhre mit einer Gasstrecke für verschiedene Anwendungen parallel geschaltet wird. Auch hier sind jeweils unterschiedliche Antriebe nötig, um beide Unterbrechereinheiten synchron zu schalten. Die Verwendung von mehreren Antriebssystemen mit mehreren Antriebsaggregaten belastet jedoch wieder die wirtschaftliche Bilanz bei der Anwendung von zwei seriell geschalteten Vakuumröhren bzw. bei der Reihenschaltung einer Vakuumröhre und einer Gasstrecke.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Stromunterbrechersystem bereitzustellen, das mindestens zwei Unterbrechereinheiten unterschiedlicher Bauart aufweist, die von einem gemeinsamen Antriebssystem angetrieben werden.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Stromunterbrechersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Das Stromunterbrechersystem gemäß Patentanspruch 1 weist eine serielle Anordnung von mindestens zwei Unterbrechereinheiten auf. Hiervon ist mindestens eine Unterbrechereinheit eine Vakuumröhre, wobei die mindestens zwei Unterbrechereinheiten mit einem Antriebssystem mechanisch verbunden sind. Das Antriebssystem weist ein Antriebsaggregat auf und es zeichnet sich dadurch aus, dass eine Kurbelwelle als Antriebswelle vorhanden ist, die mindestens zwei Kurbeln aufweist, wobei die mindestens zwei Kurbeln zwei unterschiedlich hohe Kurbelhübe aufweisen.
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Durch die unterschiedlich hohen Hübe der Kurbelwelle ist es möglich, über eine einzige Antriebswelle zwei Unterbrechereinheiten unterschiedlicher Bauart und somit auch unterschiedlicher Hübe mit einer Antriebseinheit und einem Antriebssystem zu betreiben. Dies bietet wirtschaftliche Vorteile, da für die zwei Unterbrechereinheiten lediglich ein Antriebssystem, insbesondere ein Antriebsaggregat erforderlich ist.
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Unter dem Begriff Kurbel wird eine an der Kurbelwelle angebrachte Exzentrizität verstanden, die bezüglich der Drehachse der Kurbelwelle im Wesentlichen senkrecht verläuft. Die Kurbel kann dabei im einfachsten Fall nahezu stabförmig ausgestaltet sein. Sie ist in der Praxis zur Vermeidung von Unwuchten in der Regel in Form von asymmetrischen Exzenterscheiben ausgestaltet. Unter dem Begriff Kurbel wird auch ein Kurbelpaar verstanden, das entlang der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet ist und bezüglich der Drehachse exzentrisch über einen bezüglich der Drehachse im Wesentlichen parallel verlaufenden Kurbelzapfen miteinander verbunden ist.
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Unter dem Begriff Kurbelhub ist die Exzentrizität des Kurbelzapfens bezüglich der Drehachse der Kurbelwelle verstanden, wobei der Kurbelzapfen bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle eine kreisförmige Bewegung um die Drehachse der Kurbelwelle beschreibt. Der Kurbelhub entspricht somit auch dem Radius dieser beschriebenen Kreisbewegung des Kurbelzapfens.
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Unter dem Begriff serielle Anordnung von Unterbrechereinheiten wird verstanden, dass die Unterbrechereinheiten elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung vollzieht die Kurbelwelle während eines Öffnungsvorgangs der Unterbrechereinheiten eine unidirektionale Bewegung. Dies hat den Vorteil, dass der Antrieb wiederum technisch einfacher gegenüber dem Stand der Technik ausgestaltet sein kann, da er lediglich in eine Richtung drehbar sein muss. Die Möglichkeit der unidirektionalen Drehbewegung bei einem Öffnungsvorgang, insbesondere bei einem Öffnungsvorgang einer Rotation von 170 bis 170°, bevorzugt 180° beträgt, wird durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Kurbelwelle ermöglicht.
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Einen weiteren Vorteil spielt die Anwendung der Kurbelwelle als Antriebswelle des Antriebssystems dann aus, wenn ein Öffnungsvorgang der Unterbrechereinheiten und ein anschließender Schließvorgang eine unidirektionale Bewegung vollzieht, die zwischen 350° und 360° + 10° liegt. Hierbei vollzieht die Kurbelwelle einen Öffnungs- und einen Schließvorgang bei einer vollständigen Umdrehung, die bevorzugt 360° beträgt, durch das Einstellen bestimmter Kontaktüberhübe kann es auch zweckmäßig sein, dass die Kurbelwelle eine Drehbewegung vollzieht, die von den 360° geringfügig, also um +/- 10° abweicht.
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Dabei stehen in einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung jeweils zwei unterschiedliche Unterbrechereinheiten mit den jeweils unterschiedlichen Kurbeln der Kurbelwelle, die einen unterschiedlichen Kurbelhub aufweisen, mechanisch in Verbindung, wobei die beiden Unterbrechereinheiten sich darin unterscheiden, dass sie unterschiedliche Bemessungsspannungen aufweisen. Die Bemessungsspannung einer Unterbrechereinheit ist dabei die Spannung, bis zu der die Unterbrechereinheit technisch zugelassen Stromflüsse unterbrechen kann. Auf diese Weise können Unterbrechereinheiten mit unterschiedlichen Bemessungsspannungen miteinander in Serie geschaltet werden, wodurch sich eine nächsthöhere Klasse von Bemessungsspannung ergibt. Hierfür ist es zweckmäßig, unterschiedliche Unterbrechereinheiten zu verwenden.
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Unter dem Begriff mechanisch in Verbindung stehen wird verstanden, dass zur Übertragung einer Kraft, eines Impulses oder einer Aktion zwischen zwei Systemen eine mechanische Verbindung besteht, die beispielsweise über bewegliche Verbindungen wie Lager oder Gelenke, aber auch über feste Verbindungen wie stoffschlüssige oder Kraftschlüssige Verbindungen oder aus Kombinationen aus beweglichen und festen Verbindungen erfolgen kann.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es ferner zweckmäßig, drei gleichartige Paare von seriell geschalteten Unterbrechereinheiten mechanisch miteinander zu verbinden. Die drei Paare der Unterbrechereinheiten bilden die drei Phasen des Stromnetzes ab, sodass die drei Phasen durch diese Ausgestaltungsform jeweils mit zwei in Serie geschalteten Unterbrechereinheiten bis zu einer vorgegebenen Bemessungsspannung mit einem einzigen Antriebssystem betrieben werden können.
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In einer konstruktiven Ausgestaltungsform des Stromunterbrechersystems weist die mechanische Verbindung zwischen der Kurbelwelle und jeweils einer Unterbrechereinheit einen Kurbelzapfen auf, der zwischen zwei Kurbeln so angeordnet ist, dass er beabstandet zu einer Drehachse der Kurbelwelle verläuft, wobei der Kurbelzapfen von einem Gleitlager umgeben ist, das wiederum an einer Schubstange angeordnet ist. Durch eine derartige konstruktive Ausgestaltungsform ist es möglich, die Rotationsbewegung der Kurbelwelle in eine translatorische Bewegung eines Bewegkontaktes des Unterbrechersystems umzuwandeln. Dabei steht die Schubstange im Weiteren mit dem Kontaktbolzen mechanisch in Verbindung, dies kann wiederum insbesondere durch ein weiteres Gleitlager an der Schubstange erfolgen, das wiederum an einem Zapfen am Kontaktbolzen angebracht ist. Eine beschriebene Schubstange, die an beiden Enden ein Gleitlager aufweist, kann auch als Pleuelstange bezeichnet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Kurbelwelle in der Art ausgestaltet, dass eine radiale Ausrichtung des Kurbelhubs zweier benachbarter Kurbeln entlang der Kurbelwelle um 180° versetzt angeordnet sind. Dies führt dazu, dass die einzelnen Unterbrechereinheiten, die mit den jeweiligen Kurbelzapfen der Kurbelwelle in mechanischer Verbindung stehen, bezüglich einer Linie entlang der Kurbelwelle versetzt zueinander angeordnet sind, was in einer Einsparung eines Bauraumes resultiert. Eine derartige Anordnung von Unterbrechereinheiten bedarf somit weniger Bauraum, was insbesondere dann zum Tragen kommt, wenn die Unterbrechereinheiten in geschlossenen Räumen angeordnet sind.
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Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein schematische Darstellungen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches bedeuten. Merkmale, die dieselbe Bezeichnung in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen zeigen, sind dabei mit demselben Bezugszeichen versehen, das ggf. mit einem zusätzlichen Strich gekennzeichnet ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Stromunterbrechersystem mit einer Antriebseinheit und zwei unterschiedlichen Unterbrechereinheiten in Form von Vakuumschaltröhren,
- 2 das Stromunterbrechersystem gemäß 1 in einem geöffneten Zustand,
- 3 einen Querschnitt durch eine Kurbelwelle des Antriebssystems im Bereich eines Kurbelzapfens,
- 4 eine schematische Darstellung eines Stromunterbrechersystems mit jeweils zwei in Serie geschalteten Unterbrechereinheiten für drei Phasen, mit insgesamt sechs Unterbrechereinheiten,
- 5 eine analoge schematische Darstellung wie in 4 mit bezüglich einer Linie versetzt angeordneten Unterbrechereinheiten und Kurbelhüben in radial unterschiedliche Richtungen.
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In 1 ist ein Stromunterbrechersystem 2 dargestellt, das zum einen ein Antriebssystem 8 aufweist, das zwei unterschiedliche Unterbrechereinheiten 4 und 6 gemeinsam antreibt. Das Antriebssystem 8 umfasst dabei ein Antriebsaggregat 9 sowie eine Kurbelwelle 10. Die Kurbelwelle 10 ist in dieser Ausgestaltungsform exemplarisch an zwei Kurbelwellenlager 34 gelagert und vollzieht eine unidirektionale Drehbewegung entlang des Pfeiles 20. Dabei weist die Kurbelwelle 10 zwei Kurbeln 12 bzw. 14 auf, die jeweils einen unterschiedlichen Kurbelhub 18 und 16 aufweisen. Unter dem Begriff Kurbel 12 wird hierbei auch ein Paar von Kurbeln 12 und 12' bzw. 14 und 14' verstanden, zwischen denen ein Kurbelzapfen 24 angeordnet ist. Der Kurbelzapfen 24 läuft dabei parallel zu einer Drehachse 26 der Kurbelwelle 10. Bei einer Drehbewegung 20 beschreibt dabei der Kurbelzapfen 24 eine Kreisbewegung um die Drehachse 26. An den Kurbelzapfen 24 sind wiederum Gleitlager 28 angebracht, die mit einer Schubstange 30 in Verbindung stehen. Am Ende der Schubstange 30 ist wiederum ein weiteres Gleitlager 50 angeordnet, das mit einem Kontaktbolzen 32 der Unterbrechereinheit in Verbindung steht.
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Die Unterbrechereinheiten 4, 6 weisen dabei ein Kontaktsystem 36 auf, das zwei Kontakte, einen Bewegkontakt 38 und einen Festkontakt 40 umfassen. Das Kontaktsystem 36 ist umgeben von einem Gehäuse 42 in einem Vakuumraum 44 angeordnet. Die Darstellung gemäß 1 und 2 sind rein schematisch zu sehen, Details der Unterbrechereinheiten 4, 6, die in Form von Vakuumschaltröhren ausgestaltet sind, sind hier nicht dargestellt. Der Bewegkontakt 38 ist dabei mit dem bereits erwähnten Kontaktbolzen 32 verbunden, wobei bei einer translatorischen Bewegung des Kontaktbolzens 32 das Kontaktsystem 36 geöffnet wird, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Durch die Drehbewegung 20 der Kurbelwelle 10 wird übertragen durch die Schubstange 30, die in Form einer Pleuelstange ausgestaltet ist, in eine translatorische Bewegung des Kontaktbolzens 32 und somit des Bewegkontaktes 38 umgewandelt. Dieser kinematische Ablauf gilt für beide Unterbrechereinheiten 4, 6 gleichermaßen. Der Unterschied zwischen dem Ablauf während des Öffnens der Kontaktsysteme 36 bzw. 36' besteht nach dieser Darstellung darin, dass der Kurbelhub 18 für die kleinere Unterbrechereinheit 6 geringer ausfällt als der Kurbelhub 16 für die größere Unterbrechereinheit 4. Auf diese Weise können unterschiedliche Unterbrechereinheiten 4, 6, die unterschiedliche Bemessungsspannungen aufweisen und dabei seriell zueinander geschaltet sind, mit einem Antriebssystem 8 betrieben werden.
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Die serielle Schaltung der beiden Unterbrechereinheiten 4, 6 wird durch eine Kontaktierung über Stromschienen 48, die mit einem flexiblen Stromband 46 elektrisch in Verbindung stehen, das wiederum den Kontaktbolzen 50 kontaktiert, erzeugt. Eine weitere Verbindung über Stromschienen 48 und Strombänder 46 erfolgt weiter über den Festkontakt 40 und einen ihm zugeordneten Bolzen und dem Bewegkontakt 32' der Unterbrechereinheit 6. Hierbei kann es sich um zwei Vakuumschaltröhren handeln, die beispielsweise eine Bemessungsspannung von 170 kV (Unterbrechereinheit 4) und eine Bemessungsspannung von 145 kV (Unterbrechereinheit 6) aufweisen. Durch diese serielle Anordnung von Vakuumschaltröhren mit verschiedenen Bemessungsspannungen addiert sich die Bemessungsspannung des gesamten Stromunterbrechersystems aus den Bemessungsspannungen der einzelnen Unterbrechereinheiten.
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In 1 ist die Grundstellung des Stromunterbrechersystems 2 im geschlossenen Zustand der Unterbrechereinheiten 4 und 6 beschrieben, der Pfeil 20, der eine unidirektionale Drehbewegung 20 der Kurbelwelle 10 veranschaulicht, zeigt jedoch auch, dass es sich bei der Darstellung in 1 um eine dynamische Darstellung handelt, die bei einer 180° Drehung entlang des Pfeiles 20 in der Öffnungsstellung des Stromunterbrechersystems 2 gemäß 2 resultiert. Eine weitere unidirektionale Drehung entlang des Pfeiles 20 nach der Öffnungsposition gemäß 2 führt wiederum zu einer Schließbewegung und letztendlich zu dem Zustand, der in 1 abgebildet ist. Eine 360° Drehung der Kurbelwelle 10 resultiert somit darin, dass die Unterbrechereinheiten 4, 6 einmal geöffnet und wieder geschlossen werden. Eine weitere Drehung um 180° würde wiederum eine Öffnungsbewegung zur Folge haben.
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Der Vorteil der durchgehend unidirektionalen Bewegung der Kurbelwelle 10, angetrieben durch das Antriebsaggregat 9 besteht darin, dass neben der vereinfachten Übertragung durch ein einziges Antriebssystem 8 auch noch eine kostengünstigere Antriebsvariante bezüglich des Antriebsaggregats 9 gewählt werden kann. Es kann hierbei auf eine technisch aufwendige, bidirektionale Antriebsbewegung verzichtet werden, wobei dies nicht zwingend notwendig ist. Der Übergang von geöffneter Position und geschlossener Position der Unterbrechereinheiten 4, 6, wie es in den 1 und 2 dargestellt ist, kann grundsätzlich auch mit einer bidirektionalen Bewegung erfolgen, eine unidirektionale Bewegung wird aber erst durch den Einsatz der Kurbelwelle 10 ermöglicht und führt dazu, dass technisch weniger aufwendige Antriebsaggregate 9, beispielsweise Elektromotoren oder Federspeicher mit Spiralfedern zum Einsatz kommen können.
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In 3 ist ein Querschnitt durch eine Kurbelwelle 10 dargestellt, wobei der Querschnittsverlauf im Bereich einer Kurbel, geschnitten durch einen Kurbelzapfen 24 sowie durch ein Gleitlager 28. Bei der Kurbel, die sowohl in Form der Kurbel 12 oder 14 ausgestaltet sein kann, handelt es sich hier exemplarisch um eine Exzenterscheibe, die zur Vermeidung von Unwuchten ein Gegengewicht jenseits der Drehachse 26 der Kurbelwelle 10 aufweist. Der jeweilig mögliche Kurbelhub 16 bzw. 18 ist mit dem Doppelpfeil, der zwischen dem Mittelpunkt der Drehachse 26 und dem Mittelpunkt des Kurbelzapfens 24 verläuft, veranschaulicht. Wenn sich die Kurbel 12, 14 um die Drehachse 26 dreht, vollzieht dabei der Kurbelzapfen 24 eine Kreisbewegung um die Drehachse 26. Das Gleitlager 28, das um den Kurbelzapfen 24 angeordnet ist, dreht sich dabei mit, da es mit einer Schubstange 30 verbunden ist, an dessen Ende, wie in 1 dargestellt ist, ein weiteres Gleitlager 50 befindet, richtet es sich jedoch jeweils entlang einer translatorischen Bewegung aus, das sie auf den hier nicht dargestellten Kontaktbolzen überträgt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind an der Kurbelwelle 10 jeweils drei Paare 22 seriell geschalteter Unterbrechereinheiten 4 und 6 angeordnet. Ein Paar 22 der Unterbrechereinheiten 4 und 6 erfüllt jeweils die Funktion, die bereits bezüglich der 1 und 2 beschrieben sind. Die Anordnung von drei derartigen baugleichen Paaren von Unterbrechereinheiten 4, 6 steht für die drei Phasen eines Stromnetzes, die durch jeweils eine Unterbrechereinheit bzw. hier durch ein Paar 22 von Unterbrechereinheiten 4, 6 gleichzeitig getrennt werden müssen. Dabei ist es möglich, alle drei Phasen mit einer Antriebseinheit 8 zu betreiben, wobei, wie bereits erwähnt, jede Phase zwei unterschiedliche Unterbrechereinheiten 4, 6 aufweist. Jedes Paar 22 von Unterbrechereinheiten 4, 6 steht dabei jeweils mit einem Paar von Kurbeln 14, 16 in Verbindung, die jeweils wieder den unterschiedlichen Kontakthub 16 und 18 aufweisen. Ansonsten weisen die Paare 22 die gleichen technischen Merkmale auf, die bereits bezüglich der 1, 2 und 3 beschrieben sind.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform ähnlich wie in 4, weist die schematische Darstellung gemäß 5 eine Anordnung von drei Paaren 22 von seriell geschalteten Unterbrechereinheiten 4, 6 auf. Der Unterschied bezüglich der 4 besteht darin, dass in dieser Ausgestaltungsform jeweils zwei Unterbrechereinheiten 4 oder 6 versetzt zueinander angeordnet sind, was dazu führt, dass linear entlang der Kurbelwellen 10 Bauraum eingespart werden kann, was in vielen Anwendungen, in denen Bauraum knapp ist, einen entscheidenden Kostenvorteil mit sich bringen kann. Die Kurbelwelle 10 gemäß 5 ist in der Art ausgestaltet, dass die Kurbeln 14 und 12 bezüglich der Drehachse 26 radial in unterschiedliche Richtungen, insbesondere um 180° versetzte Richtungen zeigen. Es ist jedoch anzumerken, dass bei dieser Umsetzung mindestens jede zweite Kurbel 12 oder 14 und die damit verbundene Schubstange 30 einer mechanischen Umlenkmechanik bedarf, die in dieser rein schematischen Darstellung gemäß 5 nicht näher beschrieben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Stammunterbrechersystem
- 4
- Unterbrechereinheit UB1
- 6
- Unterbrechereinheit UB2
- 8
- Antriebssystem
- 9
- Antriebsaggregat
- 10
- Kurbelwelle
- 12
- erste Kurbel
- 14
- zweite Kurbel
- 16
- erster Kurbelhub
- 18
- zweiter Kurbelhub
- 20
- unidirektionale Drehbewegung
- 22
- Paar seriell geschalteter Unterbrechereinheiten
- 24
- Kurbelzapfen
- 26
- Drehachse
- 28
- Gleitlager
- 30
- Schubstange
- 32
- Kontaktbolzen
- 34
- Kurbelwellenlager
- 36
- Kontaktsystem
- 38
- Bewegkontakt
- 40
- Festkontakt
- 42
- Gehäuse
- 44
- Vakuumraum
- 46
- Stromband
- 48
- Sromschienen
- 50
- weiteres Gleitlager
