-
Die Erfindung betrifft ein Antriebsaggregat nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Antriebssystem nach Patentanspruch 10 sowie ein Stromunterbrechersystem nach Patentanspruch 12.
-
Für die Fehlerklärung in Hoch- und Höchstspannungsnetzen, also bei Spannungen über 110 Kilovolt in Freileitungen sind sogenannte Kurzunterbrecher definiert. Sollte ein Kurzschluss beispielsweise durch einen umfallenden Baum, einen herabfallenden Ast oder durch einen großen Vogel hervorgerufen werden, kommt es innerhalb von kürzester Zeit durch den Schalter zu einer Unterbrechung des Kurzschlussstromes. Der Leistungsschalter schaltet dabei in einer Zeit von ca. 300 Millisekunden ab und trennt somit den Bereich, in dem der Kurzschluss auftritt, vom gesamten Netz. Da sich derartige Kurzschlüsse häufig selbst regenerieren, da beispielsweise das den Kurzschluss erzeugende Element abgebrannt ist, wird nach einer definierten Zeit, die in der Regel weniger als eine Sekunde beträgt, der Leistungsschalter wieder geschlossen. Wird dabei festgestellt, dass der Kurzschluss nicht mehr auftritt, bleibt der Leistungsschalter geschlossen. Sollte der Kurzschluss immer noch bestehen, muss in sehr kurzer Zeit, also ebenfalls in ca. 300 Millisekunden, der Schalter wieder geöffnet werden, um weitere Schäden am Netz zu verhindern. Diese Öffnung bleibt dann vorerst stationär, bis die Ursache manuell behoben ist. Eine derartige Funktionalität, die in der Regel den Vorgaben des Netzbetreibers entspricht, nennt man Open-Close-Open-Funktionalität, abgekürzt O-C-O.
-
Herkömmliche Leistungsschalter im Hochspannungsnetz haben für diese O-C-O-Funktionalität Federspeicherantriebe, durch die ein Ein- und wieder Ausschalten realisiert werden kann. Dabei wird bei der Schalthandlung jeweils ein Federspeicher ausgelöst und der andere Federspeicher im Gegenzug gespannt. Bei der nächsten Schalthandlung wird dieser Auslöse-Spannvorgang umgekehrt. Diese Bauart ist zwar weit etabliert, ihre Umsetzung bedarf jedoch jeweils eines relativ hohen mechanischen Aufwandes. Außerdem ist der Auslösemechanismus für jede Öffnungs- bzw. Schließhandlung technisch komplex.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Antriebsaggregat, ein Antriebssystem sowie eine Unterbrechereinheit für eine Hochspannungsanwendung bereitzustellen, das die Open-Close-Open-Funktionalität aufweist, und dabei gegenüber dem Stand der Technik ein technisch weniger aufwendiges Antriebskinematik aufweist.
-
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Antriebsaggregat mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, in einem Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie in einem Stromunterbrechersystem nach Patentanspruch 12.
-
Das erfindungsgemäße Antriebsaggregat für eine elektrische Unterbrechereinheit weist eine Antriebsfeder und eine Spannvorrichtung auf, wobei die Antriebsfeder in mechanischer Verbindung mit einer Antriebswelle steht. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Antriebsfeder in Form einer Spiralfeder ausgestaltet ist, und dabei konzentrisch auf der Antriebswelle angeordnet ist.
-
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem zwei Spiralfedern translatorische Bewegungen vollziehen und sich dabei spannen und sich gegenseitig wieder entspannen, führt die auf der Welle angeordnete Spiralfeder zu einer Rotationsbewegung der Antriebswelle, die übertragen auf weitere Wellen dafür geeignet ist, die geforderte Open-Close-Open Funktionalität der elektrischen Unterbrechereinheit mit einer unidirektionalen Drehbewegung zu vollziehen. Insbesondere die Tatsache, dass die Spiralfeder von sich aus stets eine unidirektionale Drehbewegung erzeugt, indem sie auf der Antriebswelle angeordnet ist, führt dazu, dass neben einer technisch unaufwendigen Bauraum sparenden Bauweise auch im weiteren Antriebssystem nur ein geringer technischer Aufwand für die Umsetzung dieser O-C-O Funktionalität erforderlich ist.
-
Grundsätzlich ist es zweckmäßig, um den Energieeintrag der verwendeten Spiralfeder zu dosieren, mehrere Federn, insbesondere ein Federpaket von Spiralfedern für den Antrieb einzusetzen.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist eine technisch wenig aufwendige Auslösevorrichtung vorgesehen, die einen Auslösehaken aufweist, der im Wirkeingriff mit einer auf der Antriebswelle angeordneten Sperrvorrichtung steht. Insbesondere, wenn es sich bei der Sperrvorrichtung um eine Scheibe handelt, die eine Aussparung aufweist, in der der Auslösehaken einhakt, ist ein Auslösen des Antriebes mit wenig Energie, mit geringem technischem Aufwand sehr sicher und in hoher Geschwindigkeit möglich.
-
Ferner kann eine Bremsvorrichtung vorgesehen sein, die an der Antriebswelle angeordnet ist, die dazu dient, die Drehbewegung der Antriebswelle zu kontrollieren und den Anforderungen, die den Schaltvorgang der elektrischen Unterbrechereinheit betreffen, konkret zu dosieren. In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist dabei die Bremsvorrichtung in Form eines piezoelektrischen Elementes ausgestaltet. Dieses piezoelektrische Element ist dabei bevorzugt ringförmig ausgestaltet und rotationssymmetrisch auf der Antriebswelle angeordnet, sodass durch Anlegen eines elektrischen Stromes an dem piezoelektrischen Element die Reibung auf die Antriebswelle und somit die Bremsfunktion als auch die Beschleunigungsfunktion gesteuert werden können.
-
Alternativ zu der beschriebenen Bremsfunktion bzw. ergänzend hierzu kann die Spiralfeder über ihre Länge eine variable Federkonstante aufweisen. Durch diese Maßnahme kann ebenfalls auf die Drehbewegung, die Beschleunigung bzw. das Abbremsen der Antriebswelle Einfluss genommen werden. Diese Maßnahme kann die Wirkung des Bremselementes unterstützen oder ersetzen.
-
In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Spannvorrichtung in Form eines Zahnrades ausgestaltet, das auf der Antriebswelle angebracht ist und mit einem weiteren Spannzahnrad mechanisch im Eingriff steht. Auf diese Weise kann nach einem Auslösevorgang des Antriebsaggregats die Spiralfeder bzw. das Spiralfederelement erneut aufgezogen und unter Spannung gesetzt werden.
-
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Antriebssystem gemäß Patentanspruch 10, das neben einem Antriebsaggregat, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zusätzlich eine Kurbelwelle aufweist, wobei die Antriebswelle des Antriebsaggregates mit der Kurbelwelle mechanisch in Verbindung steht. Dabei kann die Kurbelwelle eine direkte Verlängerung der Antriebswelle sein, wobei diese beiden Wellen einstückig ausgestaltet sein können. Antriebswelle und Kurbelwelle können auch formschlüssig oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Die Kurbelwelle dient insbesondere dazu, die unidirektionale Drehbewegung der Antriebswelle, die durch die Spiralfeder erzeugt wird, in eine translatorische Bewegung zur Bewegung eines Bewegkontaktes der Unterbrechereinheit umzuwandeln. Dabei ist die Kurbelwelle bevorzugt mindestens mit einer Kurbel versehen, an der ein Kurbelzapfen angebracht ist, der bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle eine Kreisbewegung um eine Drehachse der Kurbelwelle beschreibt.
-
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Stromunterbrechersystem umfassend ein Antriebssystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Unterbrechereinheit vorgesehen ist, die mit der Kurbelwelle mechanisch in Verbindung steht.
-
Bei diesem Stromunterbrechersystem ist es vorteilhaft, dass zwischen dem Kurbelzapfen und einem Kontaktbolzen eines Bewegkontaktes der Unterbrechereinheit eine Umlenkvorrichtung zur Wandlung der Drehbewegung der Kurbelwelle in eine translatorische Bewegung des Bewegkontaktes vorgesehen ist. Diese Umlenkvorrichtung ist dabei in vorteilhafter Weise in Form eines Pleuels ausgestaltet.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Unterbrechereinheit in Form eines Vakuumleistungsschalters ausgestaltet.
-
Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um schematische Ausgestaltungsformen, die die Erfindung skizzieren sollen, aber keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen.
-
Dabei zeigen
- 1 ein Antriebsaggregat mit einem Paket von Spiralfedern und
- 2 ein Stromunterbrechersystem mit einem Antriebsaggregat mit Spiralfedern, einer Kurbelwelle und einer Unterbrechereinheit.
-
In 1 ist ein Antriebsaggregat 2 dargestellt, das zum Antrieb bzw. zur Auslösung einer elektrischen Unterbrechereinheit 4 dient, wie sie exemplarisch in 2 dargestellt ist. Das Antriebsaggregat 2 gemäß 1 umfasst dabei ein Federpaket 14, das eine Mehrzahl von Antriebsfedern 6 aufweist, die in Form von Spiralfedern 12 ausgestaltet sind. Die Spiralfedern 12, zusammengefasst das Federpaket 14 sind auf einer Antriebswelle 10 angeordnet, sodass die Spiralfedern 12 die Antriebswelle im Wesentlichen rotationssymmetrisch umschließen. Ferner ist eine Auslösevorrichtung 16 vorgesehen, die einen Auslösehaken 18 umfasst, der in eine Aussparung 24 einer Sperrvorrichtung 20, die in Form einer Scheibe 22 ausgestaltet ist, eingreift. Die Scheibe 22 ist ebenfalls auf der Antriebswelle 10 im Wesentlichen rotationssymmetrisch angebracht. Bei der Auslösevorrichtung 16 handelt es sich hierbei um eine exemplarische Ausgestaltungsform, insbesondere unter Verwendung eines Auslösehakens 18 und einer Aussparung 24 in der Sperrvorrichtung 20. Hierzu sind eine Vielzahl alternativer Ausgestaltungsformen grundsätzlich zweckmäßig, die Kombination des Auslösehakens 18 mit der Aussparung 24 ist jedoch konstruktiv sehr einfach zu gestalten und führt zu einer sehr schnellen Auslösung bei Eintreffen eines hier nicht dargestellten Signales an der aktuatorisch wirkenden Auslösevorrichtung 16.
-
Ferner ist noch eine Bremsvorrichtung 26 in Form eines piezoelektrischen Elementes 28 konzentrisch auf der Antriebswelle 10 angeordnet. Das piezoelektrische Element 28 dient dazu, die Beschleunigung bzw. die Abbremsung einer Rotationsbewegung 40 bzw. Drehbewegung 40 der Antriebswelle 10 zu kontrollieren. Insbesondere durch Anlegen eines elektrischen Stromes an das piezoelektrische Element 28 kann durch die rotationssymmetrische Anordnung auf der Antriebswelle 10 sehr gut gesteuert werden. Ferner kann es zweckmäßig sein, dass die Spiralfeder 12 bzw. die einzelne Spiralfedern 12 des Federpaketes 14 auf ihre Länge unterschiedliche Federkonstanten aufweisen, was ebenfalls die Beschleunigung bzw. die Abbremsung der Bewegung 40 der Antriebswelle 10 beeinflussen kann.
-
Ferner weist das Antriebsaggregat 2 eine Spannvorrichtung 8 auf, die ein Zahnrad 30 umfasst, das auf der Antriebswelle 10 angeordnet ist und die ebenfalls ein Spannzahnrad 32 umfasst, das mit dem Zahnrad 30 in Eingriff steht und durch Bewegung des Spannzahnrades 32 das Federpaket 14 nach einem Auslösevorgang erneut gespannt werden kann.
-
Der Vorteil des beschriebenen Antriebsaggregats 2 besteht insbesondere darin, dass durch die Spiralfeder 12 bzw. das Spiralfederpaket 14 eine unidirektionale Drehbewegung der Antriebswelle 10 induziert wird, und dabei ein technisch unaufwendiges und somit kostengünstiges Antriebsaggregat 2 für eine Unterbrechereinheit 4 bereitgestellt ist. Insbesondere in Kombination mit einer Kurbelwelle 34, wie sie in 2 dargestellt ist, kann die Drehbewegung 40 der Antriebswelle 10 auf die Kurbelwelle 34 übertragen werden, was wiederum durch eine geeignete Umlenkvorrichtung in einer translatorischen Bewegung eines Bewegkontaktes 48 der Unterbrechereinheit 4 resultiert. Ebenfalls ein Vorteil des Antriebssystems 44, das das Antriebsaggregat 2 sowie die Kurbelwelle 34 umfasst, besteht darin, dass die Kurbelwelle 34 mehrere Kurbeln 36 sowie Kurbelzapfen 38 umfasst, die über eine Umlenkvorrichtung, ausgestaltet hier in diesem Beispiel in Form von Pleueln 52, eine translatorische Bewegung 62 des Bewegkontaktes 48 bewirken. Von Vorteil ist dabei insbesondere, dass an eine Kurbelwelle 34 eine Mehrzahl von Unterbrechereinheiten 4 angeordnet werden können, sodass beispielsweise drei Phasen einer Stromübertragung über drei Unterbrechereinheiten 4 jedoch nur mit einem Antriebssystem 44 betrieben werden können.
-
Bei der Unterbrechereinheit 4 handelt es sich bevorzugt um einen Vakuumleistungsschalter 54, der ein Gehäuse 58 aufweist, in dem sowohl der Bewegkontakt 48 als auch ein Festkontakt 56, der mit dem Bewegkontakt 48 in einer geschlossenen Stellung des Leistungsschalters 54 kontaktiert ist, angeordnet ist. Das Gehäuse 58 umschließt dabei einen Vakuumraum 60, in dem die beiden Kontakte 48 und 56 angeordnet sind.
-
In einem Kurzschlussfall des Stromnetzes ergeht ein Signal an die Auslösevorrichtung 16, der Auslösehaken 18 wird innerhalb von wenigen Millisekunden, insbesondere weniger als 50 ms aus der Aussparung 24 gelöst, wobei die Spiralfedern 12 des Federpaketes 14 die Drehbewegung 40 induzieren, wobei die Kurbeln 36 ebenfalls entlang des mit 40 versehenen Pfeiles in Bewegung gesetzt werden und die Kurbelzapfen 38 eine Kreisbewegung um eine Drehachse 42 der Kurbelwelle 34 bzw. der Antriebswelle 10 beschreiben. Die unidirektionale Drehbewegung 40 wird erst dann wieder gestoppt, wenn der Auslösehaken 18 in eine weitere Aussparung 24' in der Scheibe 22 eingreift. Bis dahin hat die Antriebswelle 10 und die Kurbelwelle 34 eine Bewegung um 180° vollzogen. In diesem Fall hat sich der Kontaktbolzen 46 entlang des Pfeiles 62 nach oben bewegt, wobei es zum Öffnen der Kontakte 48 und 56 kommt. Auf diese Art und Weise werden alle drei Phasen durch jeweils eine Unterbrechereinheit 4 unterbrochen.
-
Diese 180° Drehung und das Unterbrechen der Kontakte 48 und 56 würden einen einfachen Ausschaltevorgang der Unterbrechereinheit darstellen. Bei der sogenannten Open-Close-Open Funktionalität würde der Auslösehaken 18 nicht bei einer 180° Bewegung in die Aussparung 24' eingreifen, sondern es würde zu einer 360° Bewegung entlang der Drehachse 42 kommen, die ein Öffnen und ein erneutes Schließen in die Position der 2 zur Folge hätte. Der Auslösehaken 18 würde erneut in die Aussparung 24 eingreifen, es würde überprüft werden, ob die Ursache für den Kurzschluss im Netz noch vorliegt. Wenn dies nicht der Fall ist, bleibt der Auslösehaken 18 in der Aussparung 24 stehen, es wird das Antriebsaggregat 2 nicht erneut ausgelöst. Sollte der Grund für den Kurzschluss noch vorliegen, wird der Auslösehaken 18 bzw. in allgemeiner Form die Auslösevorrichtung 16 erneut ausgelöst werden, sodass es um eine weitere 180° Drehung entlang der Drehachse 42 in Richtung des Pfeiles 40 kommt, wobei die Auslösevorrichtung, beispielsweise durch den Auslösehaken 18 in die Aussparung 24 erneut arretiert. In diesem Fall bleibt dann das Stromunterbrechersystem bis auf Weiteres, bis die Ursache des Kurzschlusses beseitigt ist, geöffnet.
-
Insbesondere bei der Anwendung von Vakuumleistungsschaltern 54 kann es beim Schließen der Kontakte 48 und 56 zu einem Prellvorgang kommen, wenn der Bewegkontakt 48 zu schnell auf den Festkontakt 56 trifft. Daher ist es zweckmäßig, dass die Drehbewegung 40 der Kurbelwelle 34 bzw. die Bewegung der Antriebswelle 10 des Antriebsaggregates 2 entsprechend beeinflusst wird. Hierfür ist die Bremsvorrichtung 26, die in dieser Ausgestaltungsform in Form des rotationssymmetrisch um die Antriebswelle 10 angeordnete piezoelektrische Element ausgestaltet ist, vorgesehen. Durch eine Steuerung des elektrischen Stromes, der an dem piezoelektrischen Element 28 anliegt, kann die Reibung die dieses rotationssymmetrische Element auf die Antriebswelle 10 verursacht, gesteuert werden, was sich auf die Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 10 und der Kurbelwelle 34 auswirkt. Somit kann gezielt die Kurbelwelle 34 abgebremst werden, kurz bevor die beiden Kontakte 48 und 56 aufeinandertreffen. Im umgekehrten Fall ist dies auch gelegentlich beim Öffnen der Kontakte 48 und 56 zweckmäßig. Diese Brems- bzw. Beschleunigungswirkung kann auch noch unterstützt werden, indem die Spiralfedern 12 des Federpaketes 14 entlang ihrer Länge unterschiedliche Federhärten aufweisen. Beide Maßnahmen können miteinander verknüpft werden bzw. sich gegenseitig ersetzen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Antriebsaggregat
- 4
- Unterbrechereinheit
- 6
- Antriebsfeder
- 8
- Spannvorrichtung
- 10
- Antriebswelle
- 12
- Spiralfeder
- 14
- Federpaket
- 16
- Auslösevorrichtung
- 18
- Auslösehaken
- 20
- Sperrvorrichtung
- 22
- Scheibe
- 24
- Aussparung
- 26
- Bremsvorrichtung
- 28
- piezoelektrisches Element
- 30
- Zahnrad
- 32
- Spannzahnrad
- 34
- Kurbelwelle
- 36
- Kurbel
- 38
- Kurbelzapfen
- 40
- Kreisbewegung
- 42
- Drehachse
- 44
- Antriebssystem
- 46
- Kontaktbolzen
- 48
- Bewegkontakt
- 50
- Umlenkvorrichtung
- 52
- Pleuel
- 54
- Vakuumleistungsschalter
- 56
- Testkontakt
- 58
- Gehäuse
- 60
- Vakuumraum
- 62
- translatorische Bewegung
