DE102019205239A1

DE102019205239A1 - Schalteinrichtung für eine elektrische Vorrichtung sowie elektrische Anlage

Info

Publication number: DE102019205239A1
Application number: DE102019205239.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Schacherer; Thomas Rettenmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2020-10-15
Also published as: WO2020207647A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung (10) für eine elektrische Vorrichtung, mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre (12), in welcher ein erstes Kontaktelement (20) und ein zweites Kontaktelement (22) angeordnet sind, welches entlang einer Bewegungsrichtung (24) zwischen wenigstens einer Trennstellung (T), in welcher die Kontaktelemente (20, 22) galvanisch voneinander getrennt sind, und wenigstens einer Kontaktstellung (K), in welcher die Kontaktelemente (20, 22) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, relativ zu der Vakuumschaltröhre (12) bewegbar ist, wobei eines der Kontaktelemente (20, 22) wenigstens einen Federkontakt (26, 28) aufweist, welcher in der Kontaktstellung (K) zumindest einen Teil (T1) einer Mantelfläche (32) des anderen Kontaktelements (22) entlang einer schräg oder senkrecht zur Bewegungsrichtung (24) verlaufenden Richtung (30) federnd kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung für eine elektrische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Anlage.
Die EP 2 474 086 B1 offenbart eine Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Systems vor Überspannungsereignissen, wobei das elektrische System dafür ausgelegt ist, Spannungen ausgesetzt zu werden. Die Vorrichtung umfasst mehrere Überspannungsschutzelemente und Detektionsmittel, um Überspannungsereignisse im elektrischen System zu erkennen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schalteinrichtung und eine elektrische Anlage zu schaffen, sodass eine besonders geringe Schaltzeit und ein besonders geringer Verschleiß der Schalteinrichtung realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schalteinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine elektrische Anlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung für eine elektrische Vorrichtung. Die Schalteinrichtung ist beispielsweise ein Schalter, insbesondere ein Leistungsschalter. Insbesondere kann die Schalteinrichtung ein Hochspannungsschalter, ein Erdungsschalter und/oder ein Hochspannungsableiter sein. Die Schalteinrichtung umfasst wenigstens eine Vakuumschaltröhre, welche auch einfach als Röhre oder Vakuumröhre bezeichnet wird. In der Vakuumschaltröhre beziehungsweise im Inneren der Vakuumschaltröhre herrscht vorzugsweise ein Vakuum. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass in der Vakuumschaltröhre ein erster Druck herrscht, welcher geringer als ein in einer Umgebung der Vakuumschaltröhre herrschender zweiter Druck ist. Mit anderen Worten ist die Vakuumschaltröhre beispielsweise ein Behälter, in welchem ein Druck herrscht, welcher geringer als außerhalb des Behälters ist. Insbesondere ist der in der Vakuumschaltröhre herrschende Druck niedriger als 300 Millibar.
In der Vakuumschaltröhre beziehungsweise im Inneren der Vakuumschaltröhre sind ein erstes Kontaktelement und ein zweites Kontaktelement angeordnet. Das zweite Kontaktelement ist entlang einer Bewegungsrichtung zwischen wenigstens einer Trennstellung und wenigstens einer Kontaktstellung relativ zu der Vakuumschaltröhre und vorzugsweise auch relativ zu dem ersten Kontaktelement, insbesondere translatorisch, bewegbar. Hierunter kann insbesondere verstanden werden, dass das zweite Kontaktelement aus der Trennstellung in die Kontaktstellung bewegbar und dabei auf das erste Kontaktelement zubewegbar ist. Somit ist beispielsweise das erste Kontaktelement ein sogenannter Festkontakt, welcher beispielsweise relativ zu der Vakuumschaltröhre, insbesondere zumindest entlang der Bewegungsrichtung, unbeweglich ist. Das zweite Kontaktelement ist dabei beispielsweise ein sogenannter Bewegtkontakt, welcher relativ zu der Vakuumschaltröhre und vorzugsweise auch relativ zu den Festkontakten entlang der Bewegungsrichtung, insbesondere translatorisch, bewegbar ist.
In der Trennstellung sind die Kontaktelemente in der Vakuumschaltröhre beziehungsweise innerhalb der Vakuumschaltröhre galvanisch voneinander getrennt, sodass in der Trennstellung eine elektrische Leitung zwischen den Kontaktelementen vermieden beziehungsweise unterbunden ist. In der Kontaktstellung sind die Kontaktelemente in der Vakuumschaltröhre beziehungsweise innerhalb der Vakuumschaltröhre elektrisch leitend miteinander verbunden beziehungsweise miteinander gekoppelt, insbesondere derart, dass sich die Kontaktelemente in der Kontaktstellung gegenseitig, insbesondere direkt, berühren.
Somit kann beispielsweise in der Kontaktstellung elektrische Energie beziehungsweise elektrischer Strom von dem ersten Kontaktelement auf das zweite Kontaktelement oder umgekehrt übertragen werden. In der Trennstellung jedoch kann kein elektrischer Strom beziehungsweise keine elektrische Energie zwischen den Kontaktelementen übertragen werden. Eine für die Bewegung des zweiten Kontaktelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung erforderliche Zeit oder Zeitspanne wird auch als Schaltzeit der Schalteinrichtung bezeichnet.
Um nun eine besonders geringe Schaltzeit der Schalteinrichtung realisieren sowie einen übermäßigen Verschleiß der Schalteinrichtung, insbesondere der Kontaktelemente, vermeiden zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eines der Kontaktelemente, insbesondere das erste Kontaktelement, wenigstens einen Federkontakt aufweist, welcher in der Kontaktstellung zumindest einen Teil einer, insbesondere außenumfangsseitigen oder innenumfangsseitigen, Mantelfläche des anderen Kontaktelements, insbesondere des zweiten Kontaktelements, entlang einer schräg oder vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Richtung federnd kontaktiert, das heißt, insbesondere direkt, berührt. Unter dem Merkmal, dass der Federkontakt in der Kontaktstellung zumindest den Teil der Mantelfläche federnd kontaktiert, ist insbesondere zu verstehen, dass der Federkontakt, welcher, insbesondere in der Trennstellung und vorzugsweise auch in der Kontaktstellung, elastisch verformbar ist, in der Kontaktstellung elastisch verformt und somit gespannt ist und elastisch verformt beziehungsweise in elastisch verformtem Zustand des Federkontakts entlang der Richtung die Mantelfläche, insbesondere direkt, berührt. Der Federkontakt ist somit beispielsweise ein elastisch verformbares und elektrisch leitendes beziehungsweise aus einem elektrisch leitenden Material gebildetes Federelement. Der Federkontakt ist beispielsweise in der Trennstellung zumindest teilweise, insbesondere vollständig, entspannt. Insbesondere ist der Federkontakt in der Trennstellung weniger gespannt als in der Kontaktstellung. Der Federkontakt nimmt beispielsweise in der Trennstellung einen Ausgangszustand oder eine Ausgangsstellung ein. In der Trennstellung sind die Kontaktelemente vorzugsweise vollständig voneinander beabstandet und somit voneinander getrennt, sodass sich die Kontaktelemente in der Trennstellung nicht gegenseitig berühren. Somit ist insbesondere der Federkontakt in der Trennstellung vollständig von dem anderen Kontaktelement beabstandet, sodass der Federkontakt in der Trennstellung das andere Kontaktelement und somit die Mantelfläche nicht berührt.
In der Kontaktstellung ist der Federkontakt gegenüber der Trennstellung dadurch, dass der Federkontakt in der Kontaktstellung die Mantelfläche berührt, elastisch verformt, sodass der Federkontakt in der Kontaktstellung gegenüber der Trennstellung stärker elastisch verformt ist. Somit nimmt der Federkontakt in der Kontaktstellung einen Verformungszustand oder eine Verformungsstellung ein, in welchem beziehungsweise welcher der Federkontakt gegenüber dem Ausgangszustand beziehungsweise der Ausgangsstellung, insbesondere stärker, elastisch verformt ist. Dabei berührt der Federkontakt die Mantelfläche in der Kontaktstellung entlang der schräg oder vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden und auch als Berührrichtung bezeichneten Richtung, sodass ein unerwünschtes, zu einem übermäßigen Verschleiß der Kontaktelemente führendes Prellen des Federkontakts vermieden werden kann.
Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Eine Vielzahl an Anwendungen, insbesondere in der Hochspannungstechnik, benötigen eine schnelle Schaltung, insbesondere Erdung, unter Spannung stehender Teile, zum Beispiel beim Auftreten eines Fehlers. Eine hierbei interessante und anspruchsvolle Anwendung ist die Erdung von Hochspannungskabeln in HGÜ-Anlagen (HGÜ - Hochspannungs-GleichstromÜbertragung). Somit ist beispielsweise die zuvor genannte elektrische Vorrichtung eine HGÜ-Anlage, das heißt eine Anlage zur Übertragung von Hochspannungs-Gleichstrom. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Schalteinrichtung beispielsweise zur Erdung eines beispielsweise als Hochspannungskabel ausgebildeten elektrischen Bauelements einer elektrischen Anlage, insbesondere einer HGÜ-Anlage, verwendbar ist beziehungsweise verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinrichtung genutzt werden, um zumindest Teile von in HGÜ-Anlagen verwendeten Hochspannungsableitern zu überbrücken. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass die Schalteinrichtung dazu verwendet wird, um wenigstens einen oder mehrere Teile eines oder mehrerer Hochspannungsableiter einer oder mehrerer HGÜ-Anlagen zu überbrücken.
Grundsätzlich ist es denkbar, eine herkömmliche Vakuumschaltröhre, insbesondere eine herkömmliche Hochspannungsvakuumschaltröhre, beispielsweise zur Überbrückung oder zur Erdung und somit als einen Erdungsschalter zu verwenden. Herkömmliche, auch als Vakuumröhren bezeichnete Vakuumschaltröhren weisen Vorteile wie eine kompakte Bauweise, geringe Wartungsaufwände und eine gute Umweltverträglichkeit auf.
Ein entscheidender Parameter für die Verwendung als Schnellschalter, insbesondere als Schnellerdungsschalter, ist die Schaltgeschwindigkeit beziehungsweise die auch als Schaltdauer bezeichnete Schaltzeit. Die Schaltgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit welcher das zweite Kontaktelement aus der Trennstellung in die Kontaktstellung bewegt werden kann. Je höher somit die Schaltgeschwindigkeit ist, desto geringer ist die Schaltdauer beziehungsweise die Schaltzeit. Die Schaltdauer ist somit eine Zeit, welche zur elektrischen Kontaktierung der Schaltelemente, das heißt zum Bewegen des zweiten Schaltelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung erforderlich ist. Ist die Vakuumschaltröhre beispielsweise als ein Erdungsschalter ausgebildet, so wird durch das Bewegen des zweiten Schaltelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung eine Erdverbindung hergestellt. Dann ist beispielsweise die Schaltdauer beziehungsweise Schaltzeit eine Zeitspanne, welche zur Herstellung der Erdverbindung erforderlich ist.
Dabei ist es zum einen von Vorteil, wenn die einfach auch als Kontakte bezeichneten Schaltelemente in geöffnetem Zustand, das heißt in der Trennstellung, nicht zu weit voneinander entfernt und somit nicht zu weit geöffnet beziehungsweise nicht zu weit getrennt sind, um beispielsweise eine geforderte Isolationsfähigkeit zu erreichen. Zum anderen ist es vorteilhaft, wenn die Kontakte mit einer hohen Schließgeschwindigkeit beispielsweise in einem Bereich von einschließlich zwei bis einschließlich zehn Metern pro Sekunde geschlossen werden, um eine Trennstrecke beziehungsweise einen Kontakthub innerhalb von zehn Millisekunden zurückzulegen. Die Trennstrecke beziehungsweise der Kontakthub ist beispielsweise ein in der Trennstellung entlang der Bewegungsrichtung verlaufender Abstand zwischen den Kontaktelementen. Somit bewegt beispielsweise das zweite Kontaktelement bei dessen Bewegung aus der Trennstellung in die Kontaktstellung den Kontakthub und somit die Trennstrecke zurück. Dabei ist eine Schaltzeit von zehn Millisekunden, in welcher das zweite der Kontaktelemente die Trennstrecke beziehungsweise den Kontakthub zurücklegt beziehungsweise ausführt, vorteilhaft. Hierzu ist beispielsweise eine auch als Schließgeschwindigkeit bezeichnete Geschwindigkeit, mit welcher sich das zweite Kontaktelement aus der Trennstellung in die Kontaktstellung bewegt, vorteilhaft, wobei die Schließgeschwindigkeit vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich zwei Metern pro Sekunde bis einschließlich zehn Metern pro Sekunde liegt.
Das Bewegen des zweiten Kontaktelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung wird auch als Schließen der Schalteinrichtung beziehungsweise der Vakuumschaltröhre bezeichnet. Das Bewegen des zweiten Kontaktelements aus der Kontaktstellung in die Trennstellung wird auch als Öffnen der Schalteinrichtung beziehungsweise der Vakuumschaltröhre bezeichnet.
Beim Schließen von herkömmlichen Hochspannungsvakuumröhren unter Spannung kann es einige Millimeter vor dem gegenseitigen Berühren der Kontakte zu einem Zünden eines Lichtbogens und einem hohen Stromfluss, insbesondere innerhalb der Vakuumschaltröhre, kommen. Je nach Höhe des Stromflusses und je nach Dauer bis zur endgültigen Berührung der Kontakte beginnt der Lichtbogen, jeweilige Kontaktoberflächen der Kontaktelemente an- beziehungsweise aufzuschmelzen, wobei sich beispielsweise die Kontaktelemente in der Kontaktstellung über die Kontaktoberflächen gegenseitig, insbesondere direkt, berühren. Anschließend prallen die an- beziehungsweise aufgeschmolzenen und einfach auch als Kontaktflächen bezeichneten Kontaktoberflächen aufeinander und verschweißen gegebenenfalls miteinander. Das An- beziehungsweise Aufschmelzen der Kontaktflächen wird verstärkt, wenn es zu einem Prellen der Kontakte kommt. Dieses Prellen kommt besonders bei hohen Schließgeschwindigkeiten bei herkömmlichen Vakuumschaltröhren vor, welche Federantriebe zum Bewegen des jeweiligen zweiten Kontaktelements aufweisen.
Wird anschließend die jeweilige herkömmliche Vakuumschaltröhre geöffnet, indem die Kontakte auseinanderbewegt werden beziehungsweise indem das zweite Kontaktelement aus der Kontaktstellung in die Trennstellung bewegt wird, werden die Kontakte, insbesondere an jeweiligen Schweißstellen, an welchen die Kontakte zuvor miteinander verschweißt wurden, auseinander gerissen und es entstehen scharfe Kanten und Spitzen auf den Kontaktoberflächen. An diesen scharfen Kanten und Spitzen kann es zu Überhöhungen des elektrischen Feldes kommen, was einer Reduzierung der Isolationsfähigkeit bei geöffneten Kontakten gleich kommt. Die Isolationsfähigkeit kann durch die Spitzen so weit reduziert werden, bis ein zumindest die Kontakte umfassendes beziehungsweise durch die Kontakte gebildetes Kontaktsystem vorgeschriebene beziehungsweise gewünschte Werte bei eingestelltem Kontakthub, das heißt in der Trennstellung, nicht mehr einhält. Die Vakuumröhre ist damit defekt und muss beispielsweise ausgetauscht werden. Deshalb müssen oder werden die Kontakte von vorne herein weiter geöffnet. Dies bedeutet beispielsweise, dass das zweite Kontaktelement beim Öffnen der Vakuumröhre von dem ersten Kontaktelement wegbewegt und dabei nicht etwa genau in die zuvor vorgesehene Trennstellung, sondern über die Trennstellung hinausbewegt in eine weitere Trennstellung bewegt wird. In der weiteren Trennstellung sind die Kontakte weiter voneinander beabstandet als in der ersten Trennstellung. Dies führt jedoch wiederum zu einer höheren Schließzeit beziehungsweise um die gewünschte Schließzeit zumindest im Wesentlichen konstant zu halten, ist eine höhere Schließgeschwindigkeit erforderlich mit entsprechend starkem Kontaktprellen, in deren Folge die Kontakte noch stärker miteinander verschweißen, sodass verstärkt scharfe Kanten und Spitzen entstehen.
Des Weiteren sind sogenannte Tulpen-Stift-Kontakte bekannt, wie sie beispielsweise in gasisolierten Schaltanlagen (GSI) verwendet werden. Hier existieren Produkte von Siemens wie zum Beispiel 8DN8, 8DQ1 oder 8VN1. Das Kontaktsystem dieser Lösung unterscheidet sich stark von dem Kontaktsystem in herkömmlichen Vakuumschaltröhren, da herkömmliche Tulpen-Schließkontakte nur auf das Schließen und das anschließende Tragen eines Erdungsstroms ausgelegt sind. Bei einem solchen Tulpen-Stift-Kontakt beziehungsweise bei einem als Tulpen-Stift-Kontaktsystem ausgebildeten Kontaktsystem fährt hierfür ein Stift in einen korrespondierenden Federkontakt in einer Tulpe ein. Eine spezielle Kontaktdruckfeder in Bewegungsrichtung ist nicht vorhanden. Eine Kontaktanpresskraft würde durch den Federkontakt in der Tulpe erzeugt. Somit steht hier im Gegensatz zu Vakuumschaltkontakten beziehungsweise zu Kontaktsystemen in Vakuumschaltröhren die Kontaktanpresskraft senkrecht zur Bewegungsrichtung.
Somit kann unter dem Merkmal, dass bei dem ersten Aspekt der Erfindung der Federkontakt in der Kontaktstellung zumindest den Teil der Mantelfläche entlang der schräg oder senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Richtung federnd kontaktiert, insbesondere verstanden werden, dass dadurch, dass der Federkontakt in der Kontaktstellung elastisch verformt ist, in der Kontaktstellung eine Federkraft, insbesondere in dem Federkontakt, wirkt. Die Federkraft führt, beispielsweise dann, wenn das zweite Kontaktelement aus der Kontaktstellung in die Trennstellung bewegt wird, dazu, dass der Federkontakt in seine Ausgangsstellung beziehungsweise in seinen Ausgangszustand, insbesondere elastisch, zurückfedert. In der Trennstellung hält jedoch die als Kontaktkraft fungierende Federkraft den Federkontakt in Berührung beziehungsweise in, insbesondere direkter, Stützanlage und somit in Kontakt mit der Mantelfläche. Dabei wirkt die Kontaktkraft (Federkraft) in der Kontaktstellung entlang der schräg oder vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Richtung, wobei die Kontaktkraft vorzugsweise in Richtung des Teils der Mantelfläche weist beziehungsweise wirkt.
Bei herkömmlichen Tulpen-Stift-Kontakten jedoch ist ein Öffnen unter Spannung mit einhergehendem Stromfluss nicht oder nur im begrenzten Maße möglich. Da jedoch beispielsweise die Stifte bei Tulpen-Stift-Kontaktsystemen im Vergleich zu Vakuumschaltkontakten vergleichsweise leichte Bauelemente sind, eignen sie sich daher sehr gut für schnellschaltende Anwendungen.
Weitere, der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnisse sind, dass beispielsweise in gasisolierten Schaltanlagen Erdungsschalter vorhanden sind. Diese Erdungsschalter sind beispielsweise als sogenannte Schnellerder, das heißt als Schnellerdungsschalter, ausgebildet und Teil einer Schaltanlage. Die Erdungsschalter befinden sich dabei in einem Gasraum, welcher vollständig oder nur teilweise mit wenigstens einem oder mehreren Fluorgasen oder sogenannter Clean Air, das heißt zumindest im Wesentlichen reiner Luft, gefüllt ist. Herkömmliche Tulpen-Stift-Kontakte weisen jedoch typischerweise Schaltzeiten von zirka 40 Millisekunden aus und sind somit zu langsam, um beispielsweise als Schutzschalter für HGÜ-Anlagen oder Wechselstromübertragungssysteme (FACTS) verwendet zu werden. Außerdem weisen herkömmliche Tulpen-Stift-Kontakte einen übermäßig großen Kontaktabstand von beispielsweise zirka 160 Millimetern auf.
Vor diesem Hintergrund vereint die Erfindung die Vorteile von herkömmlichen Vakuum-Schaltröhren mit den Vorteilen von herkömmlichen Tulpen-Stift-Kontakten, wobei die jeweiligen Nachteile vermieden beziehungsweise hinreichend gering gehalten werden können. Da die Kontaktelemente in der Vakuumschaltröhre angeordnet sind, ermöglicht die Erfindung die Realisierung einer umweltfreundlichen und wartungsarmen Vakuumisolierung der Kontaktelemente, insbesondere in der Trennstellung. Somit können Isoliergase wie beispielsweise Fluorgase in der Vakuumröhre vermieden werden. Außerdem können die Kontakte besonders gewichtsgünstig ausgestaltet werden, sodass insbesondere das zweite Kontaktelement besonders schnell aus der Trennstellung in die Kontaktstellung und/oder umgekehrt bewegt werden kann. Dadurch können besonders geringe Schaltzeiten der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung gewährleistet werden. Des Weiteren ermöglicht es insbesondere die Verwendung des Federkontakts, dass ein übermäßiges Prellen der Kontakte infolge des Schließens der Schalteinrichtung vermieden werden kann, sodass der Verschleiß der Schalteinrichtung besonders gering gehalten werden kann. Insbesondere ist es möglich, das zweite Kontaktelement - nachdem es aus der Trennstellung in die Kontaktstellung bewegt wurde - wieder aus der Kontaktstellung in die Trennstellung zurückzubewegen, wobei dann die erfindungsgemäße Schalteinrichtung immer noch eine hinreichende und gewünschte isolierende beziehungsweise galvanische Trennung der Kontaktelemente voneinander gewährleistet. Die Schalteinrichtung muss somit nicht repariert, gewartet oder ausgetauscht werden, nachdem das zweite Kontaktelement aus der Trennstellung in die Kontaktstellung bewegt wurde, sondern nach einer solchen Bewegung kann das zweite Kontaktelement wieder aus der Kontaktstellung in die Trennstellung bewegt werden, woraufhin die Schalteinrichtung wieder- beziehungsweise weiterverwendet werden kann.
Somit ist es denkbar, dass die Kontaktelemente der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung ein, insbesondere modifiziertes, Tulpen-Stift-Kontaktsystem beziehungsweise Tulpen-Stift-Kontakte bilden, wobei das, insbesondere modifizierte, Tulpen-Stift-Kontaktsystem erfindungsgemäß in die Vakuumröhre eingebaut, das heißt innerhalb der Vakuumröhre angeordnet ist.
Um besonders geringe Schaltzeiten und eine hinreichende Isolierung beziehungsweise galvanische Trennung gewährleisten zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Schalteinrichtung ein dem anderen Kontaktelement zugeordnetes, erstes Feldsteuerelement aufweist. Dabei ist das andere Kontaktelement in der Trennstellung entlang der Bewegungsrichtung gegenüber dem ersten Feldsteuerelement von dem einen Kontaktelement weg zurückversetzt. Dies bedeutet, dass das andere Kontaktelement in der Trennstellung entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem einen Kontaktelement hinter dem ersten Feldsteuerelement angeordnet ist.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das erste Feldsteuerelement eine erste Durchgangsöffnung aufweist, durch welche bei einer beziehungsweise bei der Bewegung des zweiten Kontaktelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung das zweite Kontaktelement hindurchbewegbar ist beziehungsweise hindurchbewegt wird. Dadurch können besonders geringe Schaltzeiten gewährleistet werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das dem anderen Kontaktelement zugeordnete erste Feldsteuerelement aus einem ersten Werkstoff gebildet ist. Das erste Feldsteuerelement ist dabei, insbesondere in einem sich direkt an die erste Durchgangsöffnung des ersten Feldsteuerelements anschließenden Bereich, mit einer Schicht versehen, welche aus einem von dem ersten Werkstoff unterschiedlichen zweiten und temperaturwiderstandsfähigen Werkstoff gebildet und demzufolge temperaturwiderstandsfähig ist. Hierdurch können beispielsweise die Kontaktelemente entlang der Bewegungsrichtung in der Trennstellung besonders nahe beieinander beziehungsweise aneinander angeordnet sein, sodass besonders geringe Schaltzeiten realisiert werden können.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schalteinrichtung ein dem einen Kontaktelement zugeordnetes, zweites Feldsteuerelement. Dabei ist das eine Kontaktelement zumindest in der Trennstellung entlang der Bewegungsrichtung gegenüber dem zweiten Feldsteuerelement von dem anderen Kontaktelement zurückversetzt. Dies bedeutet, dass das eine Kontaktelement zumindest in der Trennstellung entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem anderen Kontaktelement hinter dem zweiten Feldsteuerelement angeordnet ist. Dadurch können die Kontaktelemente in der Trennstellung entlang der Bewegungsrichtung besonders nahe aneinander angeordnet sein, sodass einerseits die Schaltzeit besonders gering gehalten werden kann. Andererseits kann eine hinreichende Isolierung beziehungsweise galvanische Trennung der Kontaktelemente in der Trennstellung gewährleistet werden.
Um die Schaltzeit besonders gering halten zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das dem einen Kontaktelement zugeordnete, zweite Feldsteuerelement eine zweite Durchgangsöffnung aufweist, durch welche bei einer Bewegung des zweiten Kontaktelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung das zweite Kontaktelement hindurchbewegbar ist beziehungsweise hindurchbewegt wird.
Um dabei den Verschleiß besonders gering halten und die Kontaktelemente in der Trennstellung entlang der Bewegungsrichtung besonders nahe aneinander anordnen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das dem einen Kontaktelement zugeordnete zweite Feldsteuerelement aus einem ersten Material gebildet ist. Das erste Material kann der erste Werkstoff oder ein von dem ersten Werkstoff unterschiedlicher dritter Werkstoff sein. Das zweite Feldsteuerelement ist dabei, insbesondere in einem sich direkt an die zweite Durchgangsöffnung des zweiten Feldsteuerelements anschließenden zweiten Bereich, mit einer Schicht versehen, welche aus einem von dem ersten Material unterschiedlichen zweiten und temperaturwiderstandsfähigen Material gebildet und demzufolge temperaturwiderstandsfähig ist. Das zweite Material kann der zweite Werkstoff oder ein von dem zweiten Werkstoff unterschiedlicher vierter Werkstoff sein. Hierdurch können die Kontaktelemente besonders nahe aneinander angeordnet werden, und ein übermäßiger Verschleiß kann vermieden werden.
Die vorzugsweise entlang der Bewegungsrichtung einander gegenüberliegenden und/oder entlang der Bewegungsrichtung voneinander, insbesondere vollständig, beabstandeten Feldsteuerelemente sind beispielsweise jeweilige Tulpen des Tulpen-Stift-Kontaktsystems der Erfindung. Durch die Verwendung der zweiten Tulpe kann der auch als Kontaktabstand bezeichnete und in der Trennstellung und einer Bewegungsrichtung verlaufende Abstand zwischen den Kontaktelementen besonders gering gehalten werden. Dadurch können die Schaltzeiten besonders gering gehalten werden.
Das jeweilige Feldsteuerelement ist beispielsweise ein zum Steuern, das heißt beispielsweise zum Führen beziehungsweise Leiten, eines elektrischen und/oder magnetischen Felds ausgebildetes Element. Insbesondere kann das jeweilige Feldsteuerelement eine auch als Schirm bezeichnete Schirmung oder Abschirmung sein, mittels welcher beispielsweise das jeweilige Kontaktelement insbesondere zumindest in der Trennstellung gegen ein elektrisches und/oder magnetisches Feld abschirmbar oder abgeschirmt ist.
Um den Verschleiß der Schalteinrichtung besonders gering zu halten, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass in der Kontaktstellung eine entlang der Bewegungsrichtung verlaufende, gegenseitige Kontaktierung beziehungsweise Berührung der Kontaktelemente unterbleibt. Zwar berühren sich dabei die Kontaktelemente dadurch gegenseitig, dass der Federkontakt an dem Teil der Mantelfläche anliegt, jedoch verläuft dieser Kontakt schräg oder senkrecht zur Bewegungsrichtung. Ein entlang der beziehungsweise parallel zu der Bewegungsrichtung verlaufender Kontakt zwischen den Kontaktelementen unterbleibt vorzugsweise in der Kontaktstellung, wodurch der Verschleiß besonders gering gehalten werden kann.
Um eine besonders hohe Schaltgeschwindigkeit und somit eine besonders geringe Schaltzeit realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das andere Kontaktelement einen Stift aufweist beziehungsweise als ein Stift ausgebildet ist, welcher die Mantelfläche und somit den Teil der Mantelfläche bildet.
Da beispielsweise das jeweilige Feldsteuerelement eine jeweilige Tulpe bildet und das andere Kontaktelement einen Stift aufweist, bilden die Kontaktelemente ein modifiziertes Tulpen-Stift-Kontaktsystem, welches beispielsweise gegenüber herkömmlichen Tulpen-Stift-Kontaktsystemen derart modifiziert ist, dass das erfindungsgemäße Tulpen-Stift-Kontaktsystem nicht etwa in einem Isoliergas, sondern in der Vakuumschaltröhre angeordnet ist. Somit bilden die Kontaktelemente erfindungsgemäß ein Vakuumtulpenkontaktsystem, durch welches einerseits eine besonders geringe Schaltzeit der Schalteinrichtung realisiert und andererseits ein übermäßiger Verschleiß der Schalteinrichtung vermieden werden kann.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass an einem Boden der Vakuumschaltröhre wenigstens eine Teilchenfalle angeordnet ist. Mittels der Teilchenfalle können elektrisch geladene Teilchen gefangen und gespeichert werden, wodurch eine besonders vorteilhafte Funktion der Schalteinrichtung gewährleistet werden kann.
Um besonders geringe Schaltzeiten zu realisieren, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Schalteinrichtung einen Federantrieb aufweist, mittels welchem das zweite Kontaktelement aus der Trennstellung in die Kontaktstellung relativ zu der Vakuumröhre und vorzugsweise auch relativ zu dem einen Kontaktelement entlang der Bewegungsrichtung, insbesondere ballistisch, bewegbar ist.
Um dabei den Verschleiß besonders gering halten zu können, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Dämpfereinrichtung vorgesehen, mittels welcher eine Bewegung des zweiten Kontaktelements in die Kontaktstellung gedämpft werden kann.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eines der Kontaktelemente als ein Erdungskontakt zur, insbesondere elektrischen, Erdung der Vorrichtung ausgebildet.
Vorzugsweise ist der auch als Kontaktstift bezeichnete Stift aus Wolfram beziehungsweise aus einer Wolframlegierung gebildet.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schalteinrichtung eine Magneteinrichtung zum Bereitstellen eines Magnetfelds, dessen üblicherweise mit B bezeichnete magnetische Flussdichte entlang der Bewegungsrichtung beziehungsweise parallel zur Bewegungsrichtung oder senkrecht zur Bewegungsrichtung verläuft. Dadurch kann der Verschleiß besonders gering gehalten werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine, insbesondere elektrische, Anlage, welche beispielsweise als eine HGÜ-Anlage oder als eine Wechselstromübertragungsanlage (FACTS) beziehungsweise als eine Hochspannungswechselstromsübertragungsanlage ausgebildet ist. Die Anlage umfasst wenigstens eine elektrische Vorrichtung und wenigstens eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei beispielsweise durch Bewegen des zweiten Kontaktelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung wenigstens ein erster elektrischer Kontakt der Vorrichtung über die Kontaktelemente mit wenigstens einem zweiten elektrischen Kontakt elektrisch verbindbar und dadurch beispielsweise zu erden ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung, wobei sich Kontaktelemente der Schalteinrichtung in einer Trennstellung befinden; und
2 eine schematische und geschnittene Seitenansicht der Schalteinrichtung, wobei sich die Kontaktelemente in einer Kontaktstellung befinden.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht eine beispielsweise als Erdungsschalter, insbesondere als Schnellerdungsschalter, und/oder als Hochspannungsschalter oder Hochspannungsableiter ausgebildete Schalteinrichtung 10 für eine elektrische Vorrichtung. Beispielsweise kann die Schalteinrichtung 10 in einer Anlage, insbesondere in einer elektrischen Anlage, verwendet werden, für welche auch die elektrische Vorrichtung verwendet wird. Die Schalteinrichtung 10 weist eine Vakuumschaltröhre 12 auf, in deren Inneren 14 ein Vakuum herrscht, das heißt ein Vakuum gezielt eingestellt ist. Darunter, dass in der Vakuumschaltröhre 12 beziehungsweise im Inneren 14 der Vakuumschaltröhre 12 ein Vakuum herrscht, kann insbesondere verstanden werden, dass in dem Inneren 14 ein Druck herrscht, welcher geringer als 300 Millibar ist. Insbesondere ist der im Inneren 14 herrschende Druck geringer als ein in der Umgebung 16 der Vakuumschaltröhre 12 herrschender Druck. Die Vakuumschaltröhre 12 wird einfach auch als Röhre oder Vakuumröhre bezeichnet. In der Vakuumschaltröhre 12 und somit in deren Inneren 14 ist beispielsweise eine erste, insbesondere elektrische, Abschirmung 18 angeordnet, welche auch als erster Schirm bezeichnet wird. Die erste Abschirmung 18 ist beispielsweise als ein sogenannter Dampfschirm ausgebildet.
In der Vakuumschaltröhre 12, das heißt im Inneren 14 der Vakuumschaltröhre 12, ist ein erstes Kontaktelement 20 angeordnet. Außerdem ist in der Vakuumschaltröhre 12 ein zweites Kontaktelement 22 angeordnet, welches entlang einer in 1 durch einen Doppelpfeil 24 veranschaulichten Bewegungsrichtung zwischen wenigstens einer in 1 gezeigten Trennstellung T und wenigstens einer in 2 gezeigten Kontaktstellung K relativ zu der Vakuumschaltröhre 12 und insbesondere relativ zu dem Kontaktelement 20, insbesondere translatorisch, bewegbar ist. Dabei ist das Kontaktelement 20 vorzugsweise ein sogenannter Festkontakt, da beispielsweise dann, wenn das Kontaktelement 22 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K bewegt wird, eine relativ zu der Vakuumschaltröhre 12 erfolgende Bewegung des Kontaktelements 20 zumindest entlang der Bewegungsrichtung unterbleibt. Insbesondere ist es denkbar, dass das Kontaktelement 20 zumindest entlang der Bewegungsrichtung relativ zu der Vakuumschaltröhre 12 unbeweglich ist.
In der Trennstellung T sind die Kontaktelemente 20 und 22 galvanisch voneinander getrennt. Mit anderen Worten sind die Kontaktelemente 20 und 22 in der Trennstellung T elektrisch voneinander isoliert, sodass in der Trennstellung T kein elektrischer Strom von einem der Kontaktelemente 20 und 22 auf das jeweils andere Kontaktelement 22 beziehungsweise 20 übertragen werden kann. In der Kontaktstellung K jedoch sind die Kontaktelemente 20 und 22 elektrisch leitend miteinander verbunden, insbesondere derart, dass sich die Kontaktelemente 20 und 22 in der Kontaktstellung K gegenseitig, insbesondere direkt, berühren. In der Trennstellung T jedoch sind die Kontaktelemente 20 und 22 vorzugsweise vollständig voneinander beabstandet.
Um nun einen übermäßigen Verschleiß der Schalteinrichtung 10 zu vermeiden sowie eine besonders geringe Schaltzeit der Schalteinrichtung 10 realisieren zu können, weist das Kontaktelement 20 wenigstens einen Federkontakt 26 auf. Aus 1 ist erkennbar, dass bei dem in den FIG gezeigten Ausführungsbeispiel das Kontaktelement 20 den Federkontakt 26 als ersten Federkontakt und einen zweiten Federkontakt 28 aufweist. Die Federkontakte 26 und 28 sind dabei entlang einer schräg oder vorliegend senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden und in 1 durch einen Doppelpfeil 30 veranschaulichten Beabstandungsrichtung einander gegenüberliegend angeordnet und insbesondere voneinander beabstandet. Der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 ist ein Federelement, welches zumindest in der Trennstellung T elastisch verformbar ist. Außerdem ist der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 aus einem elektrisch leitenden beziehungsweise elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet. Insbesondere kann der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 aus einem metallischen Werkstoff gebildet sein.
Wie in Zusammenschau mit 2 erkennbar ist, kontaktiert der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 in der Kontaktstellung K einen jeweiligen Teil T1 beziehungsweise T2 einer außenumfangsseitigen Mantelfläche 32 des Kontaktelements 22 entlang einer schräg oder vorliegend senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden und vorliegend durch den Doppelpfeil 30 veranschaulichten Richtung federnd. Dies bedeutet, dass der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 in der Trennstellung T eine Ausgangsstellung einnimmt, wobei beispielsweise der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 in der Trennstellung T nicht elastisch verformt ist. Wird nun das Kontaktelement 22 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K bewegt, so kommt das Kontaktelement 22 in jeweilige, insbesondere direkte, Stützanlage und somit in jeweiligen, direkten Kontakt mit dem jeweiligen Federkontakt 26 beziehungsweise 28. Hierdurch werden die Federkontakte 26 und 28 elastisch verformt, wodurch die Federkontakte 26 und 28 aus der jeweiligen Ausgangsstellung in eine jeweilige, in 2 gezeigte Verformungsstellung bewegt werden. In der Verformungsstellung ist der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 gegenüber der Ausgangsstellung elastisch verformt, sodass in dem jeweiligen Federkontakt 26 beziehungsweise 28 eine Federkraft wirkt. Die Federkraft ist eine Kontaktkraft oder wirkt als Kontaktkraft, welche den jeweiligen Federkontakt 26 beziehungsweise 28 in direkte Stützanlage und somit in direkten Kontakt beziehungsweise in direkter Berührung mit dem jeweiligen Teil T1 beziehungsweise T2 hält. Dies bedeutet, dass die Federkontakte 26 und 28 in der Kontaktstellung K elastisch verformt sind und in der Folge mittels der Kontaktkraft in direkter Stützanlage mit den Teilen T1 und T2 gehalten werden. Somit berühren die Federkontakte 26 und 28 in der Kontaktstellung K die Teile T1 und T2 direkt. Dabei wirkt die jeweilige Kontaktkraft beziehungsweise Federkraft entlang der mit der Beabstandungsrichtung zusammenfallenden Richtung.
Bei dem in den FIG gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kontaktelement 22 als ein Stift 34 ausgebildet beziehungsweise das Kontaktelement 22 umfasst einen Stift 34, wobei der Stift 34 auch als Kontaktstift bezeichnet wird. Der Stift 34 ist zumindest in einem die außenumfangsseitige Mantelfläche 32 und somit die Teile T1 und T2 bildenden Teilbereich außenumfangsseitig zylindrisch ausgebildet, sodass die außenumfangsseitige Mantelfläche 32 und somit die Teile T1 und T2 außenumfangsseitig die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisen. Somit fällt die Beabstandungsrichtung mit der radialen Richtung des Stifts 34 zusammen, sodass die Richtung, entlang welcher die Kontaktkraft verläuft, vorliegend mit der radialen Richtung des Stifts 34 zusammenfällt. Dabei wirkt vorliegend die Kontaktkraft in radialer Richtung des Stifts 34 nach innen. Dies bedeutet, dass die Federkontakte 26 und 28 in der Kontaktstellung K in radialer Richtung des Stifts 34 federnd den Stift 34 kontaktieren und somit direkt berühren.
Bei der Bewegung des Stifts 34 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K werden die Federkontakte 26 und 28 beispielsweise in radialer Richtung des Stifts 34 nach außen hin elastisch verformt. In der Kontaktstellung K werden die Federkontakte 26 und 28 mittels des sich in der Kontaktstellung K befindenden Stifts 34 elastisch verformt gehalten. Wird dann beispielsweise der Stift 34 aus der Kontaktstellung K in die Trennstellung T bewegt und somit von dem Kontaktelement 20, insbesondere translatorisch, wegbewegt, so führt die Federkraft dazu, dass der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 zurück in die jeweilige Ausgangsstellung federt und somit beispielsweise in radialer Richtung des Stifts 34 nach innen federt.
Dem Kontaktelement 22 beziehungsweise dem Stift 34 ist ein erstes Feldsteuerelement 36 zugeordnet, wobei das Kontaktelement 22 beziehungsweise der Stift 34 in der Trennstellung T entlang der Bewegungsrichtung gegenüber dem Feldsteuerelement 36 von dem Kontaktelement 20 weg zurückversetzt ist. Dies bedeutet, dass das Kontaktelement 22 beziehungsweise der Stift 34 in der Trennstellung T entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Kontaktelement 20 hinter dem Feldsteuerelement 36 angeordnet ist. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist in der Trennstellung T das Feldsteuerelement 36 entlang der Bewegungsrichtung näher an dem Kontaktelement 20 angeordnet als das Kontaktelement 22 beziehungsweise als der Stift 34. Dabei weist das Feldsteuerelement 36 eine erste Durchgangsöffnung 38 auf, durch welche der Stift 34 beziehungsweise das Kontaktelement 22 entlang der Bewegungsrichtung, insbesondere translatorisch, hindurchbewegt wird, wenn das Kontaktelement 22 beziehungsweise der Stift 34 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K bewegt wird. Somit ist das Kontaktelement 22 beziehungsweise der Stift 34 entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Feldsteuerelement 36, insbesondere translatorisch, bewegbar.
Im Inneren 14 der Vakuumschaltröhre 12 ist ein Faltenbalg 40 angeordnet, welche beispielsweise einerseits, insbesondere einenends, mit der Vakuumschaltröhre 12 und andererseits beziehungsweise andernends mit dem Kontaktelement 22 verbunden und somit entlang der Bewegungsrichtung relativ zu der Vakuumschaltröhre 12 mit dem Kontaktelement 22 mitbewegbar ist. Somit ist beispielsweise das Kontaktelement 22 mittels des Faltenbalgs 40 gegen die Vakuumschaltröhre 12 abgedichtet. Das Feldsteuerelement 36 ist beispielsweise eine auch als zweiter Schirm bezeichnete zweite Abschirmung, wobei der Faltenbalg 40 und das Kontaktelement 22 beziehungsweise der Stift 34 in radialer Richtung des Stifts 34 nach außen hin beziehungsweise zu der Vakuumschaltröhre 12 hin zumindest teilweise und vorzugsweise in der Trennstellung T abgeschirmt sind. Somit fungiert beispielsweise das Feldsteuerelement 36 als ein Faltenbalgschirm.
Des Weiteren weist die Schalteinrichtung 10 einen insbesondere an der Vakuumschaltröhre 12 vorgesehenen ersten Isolator 42 auf, durch welchen beispielsweise der Faltenbalg 40, das Feldsteuerelement 36 und das Kontaktelement 22 zumindest in der Trennstellung T in radialer Richtung des Stifts 34 nach außen hin überdeckt sind. Der Isolator 42 ist beispielsweise ein elektrischer Isolator und kann aus Keramik gebildet sein. Außerdem weist die Schalteinrichtung 10 einen zweiten Isolator 44 auf, welche beispielsweise an der Vakuumschaltröhre 12 vorgesehen ist. Dabei ist beispielsweise das Kontaktelement 20 entlang einer senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Richtung nach außen hin zumindest teilweise durch den Isolator 44 überdeckt beziehungsweise überlappt. Der Isolator 44 ist beispielsweise ein elektrischer Isolator und kann aus einer Keramik gebildet sein.
Darüber hinaus ist ein dem Kontaktelement 20 zugeordnetes zweites Feldsteuerelement 46 vorgesehen, wobei die Feldsteuerelemente 36 und 46 in dem Inneren 14 und somit innerhalb der Vakuumschaltröhre 12 angeordnet sind. Dabei sind die Federkontakte 26 und 28 in radialer Richtung des Stifts 34 nach außen hin durch das zweite Feldsteuerelement 46 zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, überlappt oder überdeckt. Die Federkontakte 26 und 28 und somit das Kontaktelement 20 insgesamt ist zumindest in der Trennstellung T entlang der Bewegungsrichtung gegenüber dem zweiten Feldsteuerelement 46 von dem Kontaktelement 22 weg zurückversetzt, sodass das Kontaktelement 20 und somit die Federkontakte 26 und 28 in der Trennstellung T entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Kontaktelement 22 hinter dem Feldsteuerelement 46 angeordnet sind. Dabei weist auch das zweite Feldsteuerelement 46 eine zweite Durchgangsöffnung 48 auf, durch welche der Stift 34 entlang der Bewegungsrichtung hindurchbewegt wird, wenn der Stift 34 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K bewegt wird. Die vorigen und folgenden Ausführungen zum Stift 34 sind ohne weiteres auch auf das Kontaktelement 22 übertragbar und umgekehrt.
Das Feldsteuerelement 46 ist beispielsweise aus einem ersten Material gebildet und in einem sich direkt an die Durchgangsöffnung 48 anschließenden Bereich B mit einer Schicht 50 versehen, welche aus einem von dem ersten Material unterschiedlichen und temperaturwiderstandsfähigen zweiten Material gebildet ist. Außerdem kann vorgesehen sein, dass an einem Boden 52 der Vakuumschaltröhre 12 eine in 1 besonders schematisch dargestellte Teilchenfalle 54 angeordnet ist. Ferner ist es denkbar, dass die Schalteinrichtung 10 einen in 1 besonders schematisch dargestellten Federantrieb 56 aufweist, mittels welchem das zweite Kontaktelement 22 und somit der Stift 34 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K relativ zu der Vakuumschaltröhre 12, relativ zu dem Kontaktelement 20 und relativ zu den Feldsteuerelementen 36 und 46, insbesondere ballistisch, bewegbar ist.
Alternativ oder zusätzlich kann eine in 1 besonders schematisch dargestellte Dämpfereinrichtung 58 vorgesehen sein, mittels welcher eine Bewegung des Kontaktelements 22 in die Kontaktstellung K gedämpft werden kann. Ferner ist es denkbar, dass der Stift 34 aus einer Wolframlegierung gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich weist die Schalteinrichtung 10 eine in 1 besonders schematisch dargestellte Magneteinrichtung 60 auf, mittels welcher ein Magnetfeld bereitstellbar ist oder bereitgestellt wird, dessen magnetische Flussdichte entlang der Bewegungsrichtung oder aber senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufen kann.
Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass beispielsweise die Feldsteuerelemente 36 und 46 sowie die Federkontakte 26 und 28 nach Art von Tulpen ausgebildet sind. Die Tulpen und der Stift 34 bilden somit ein modifiziertes Tulpen-Stift-Kontaktsystem, welches im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen dadurch modifiziert ist, dass es nicht etwa in einem Isoliergas, sondern in dem Inneren 14 der Vakuumschaltröhre 12 angeordnet ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen, gasisolierten Erdungsschaltern werden bei der Schalteinrichtung 10 die Feldsteuerelemente 36 und 46 als Tulpen zur E-Feldsteuerung, das heißt zur Steuerung eines elektrischen Feldes, verwendet beziehungsweise eingesetzt. Unter der Steuerung des elektrischen Feldes ist beispielsweise zu verstehen, dass das elektrische Feld mittels der Feldsteuerelemente 36 und 46 geführt beziehungsweise geleitet wird. Durch die Verwendung der Feldsteuerelemente 36 und 46 kann ein auch einfach als Abstand bezeichneter und entlang der Bewegungsrichtung verlaufender Abstand zwischen den Kontaktelementen 20 und 22 in der Trennstellung T besonders gering gehalten werden.
Der als Kontaktstift bezeichnete Stift 34, welcher vorzugsweise aus einer Wolframlegierung gebildet ist, befindet sich in der Trennstellung T hinter dem Feldsteuerelement 36. Die Trennstellung T korrespondiert mit einem geöffneten Zustand der Schalteinrichtung 10, da in der Trennstellung T die Schalteinrichtung 10 geöffnet ist und somit kein elektrischer Strom zwischen den Kontaktelementen 20 und 22 fließen kann. Die Kontaktstellung K korrespondiert mit einem geschlossenen Zustand der Schalteinrichtung 10, da die Schalteinrichtung 10 in der Kontaktstellung K geschlossen ist und ein elektrischer Strom zwischen den Kontaktelementen 20 und 22 fließen kann. Hinter dem zweiten Feldsteuerelement 46 befindet sich das als Festkontakt und dabei als Tulpe ausgebildete Kontaktelement 20 mit den Federkontakten 26 und 28, in die der Kontaktstift bei dessen Bewegung in die Kontaktstellung K einfährt.
Beim Einfahren des Stifts 34 in die durch die Federkontakte 26 und 28 gebildete Tulpe kann es zu einem Schwingen des Stifts 34 kommen, wobei der Stift 34 beispielsweise um einen Weg Δs (2) schwingt. Mit anderen Worten, die Federkontakte 26 und 28 erlauben eine Schwingbewegung des Stifts 34 nach dem Einfahren mit einer Amplitude von As. Diese Schwingbewegung würde bei ähnlichen, herkömmlichen Konzepten mit gewöhnlichen Vakuumschaltkontakten zu einem Kontaktprellen führen, bei dem die Kontaktelemente 20 und 22 und somit jeweilige Kontaktflächen der Kontaktelemente 20 und 22 abheben und so Lichtbögen entstehen würden, die die Kontaktflächen beschädigen würden. Die vorliegende Schalteinrichtung 10 erlaubt ein solches Schwingen, ohne eine übermäßige Belastung für die Kontaktelemente 20 und 22 durch ein Wiederzünden eines Lichtbogens. Dies wiederum ermöglicht im Gegensatz zur Verwendung von gewöhnlichen Vakuumschaltkontakten die Verwendung von Federantrieben mit einer ballistischen Kontaktbewegung, das heißt mit einer Kontaktbewegung, die durch eine einmalige starke Beschleunigung des Bewegkontakts gekennzeichnet ist mit anschließender Flugphase und Abbremsen durch die auch als Dämpfersystem bezeichnete Dämpfereinrichtung.
Grundsätzlich ist es denkbar, anstelle der Vakuumröhre einen Behälter mit einem Überdruckgasraum einzusetzen, welche beispielsweise mit einem Isoliergas wie insbesondere Clean Air beziehungsweise reiner Luft gefüllt ist. Bei einer solchen Alternative muss dennoch das Kontaktsystem optimiert werden, um einen möglichst geringen Kontaktabstand zur Realisierung geringer Schaltzeiten zu erreichen. Eine Isolation durch ein Fluorgas wie beispielsweise SF6 ist ebenfalls denkbar, jedoch aus Umweltsicht nicht wünschenswert.
Insgesamt ist es erkennbar, dass die Schalteinrichtung 10 eine umweltfreundliche Isolierung der Kontaktelemente 20 und 22 ermöglicht. Außerdem kann eine besonders geringe Schaltzeit realisiert werden, und ein übermäßiger Verschleiß der Schalteinrichtung 10 kann vermieden werden. Durch die beidseitige Anordnung der Feldsteuerelemente 36 und 46 kann der Kontaktabstand zwischen den Kontaktelementen 20 und 22 in der Trennstellung T besonders gering gehalten werden. Beim Heraustreten des Stifts 34 aus dem Feldsteuerelement 36, das heißt dann, wenn der Stift 34 auf seinem Weg in die Kontaktstellung K die Durchgangsöffnung 38 durchdringt, kann frühzeitig ein Lichtbogen, insbesondere zwischen den Kontaktelementen 20 und 22, gezündet werden, was die elektrische Kontaktzeit deutlich verkürzt. Um einen übermäßigen Verschleiß beziehungsweise eine übermäßige Belastung des Feldsteuerelements 46 auf der Seite des Festkontakts durch den Lichtbogen zu vermeiden, ist das Feldsteuerelement 46 zumindest in dem Bereich B mit der Schicht 50 versehen. Die Schicht 50 ist eine Kontaktschicht, welche gegenüber dem Lichtbogen besonders widerstandsfähig ist.
Dadurch, dass die beispielsweise als Kontaktanpresskraft wirkende Kontaktkraft senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkt, wird ein Schwingen des Bewegkontakts ermöglicht beziehungsweise zugelassen, jedoch ohne weitere Lichtbögen zu zünden und somit ohne einen übermäßigen Verschleiß der Kontaktelemente 20 und 22 zu bewirken. Dies ermöglicht wiederum die Verwendung eines kostengünstigen Federantriebs oder eines magnetischen Antriebs, insbesondere in Verbindung mit einer Klemmbuchse. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass anstelle des Federantriebs oder zusätzlich zu dem Federantrieb ein magnetischer Antrieb vorgesehen ist, mittels welchem das Kontaktelement 22 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K bewegbar ist.
Bezugszeichenliste

10: Schalteinrichtung
12: Vakuumschaltröhre
14: Inneres
16: Umgebung
18: Abschirmung
20: Kontaktelement
22: Kontaktelement
24: Doppelpfeil
26: Federkontakt
28: Federkontakt
30: Doppelpfeil
32: Mantelfläche
34: Stift
36: Feldsteuerelement
38: Durchgangsöffnung
40: Faltenbalg
42: Isolator
44: Isolator
46: Feldsteuerelement
48: Durchgangsöffnung
50: Schicht
52: Boden
54: Teilchenfalle
56: Federantrieb
58: Dämpfereinrichtung
60: Magneteinrichtung
B: Bereich
K: Kontaktstellung
T: Trennstellung
T1: Teil
T2: Teil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2474086 B1 [0002]

Claims

Schalteinrichtung (10) für eine elektrische Vorrichtung, mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre (12), in welcher ein erstes Kontaktelement (20) und ein zweites Kontaktelement (22) angeordnet sind, welches entlang einer Bewegungsrichtung (24) zwischen wenigstens einer Trennstellung (T), in welcher die Kontaktelemente (20, 22) galvanisch voneinander getrennt sind, und wenigstens einer Kontaktstellung (K), in welcher die Kontaktelemente (20, 22) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, relativ zu der Vakuumschaltröhre (12) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Kontaktelemente (20, 22) wenigstens einen Federkontakt (26, 28) aufweist, welcher in der Kontaktstellung (K) zumindest einen Teil (T1) einer Mantelfläche (32) des anderen Kontaktelements (22) entlang einer schräg oder senkrecht zur Bewegungsrichtung (24) verlaufenden Richtung (30) federnd kontaktiert.
Schalteinrichtung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein dem anderen Kontaktelement (22) zugeordnetes Feldsteuerelement (36), wobei das andere Kontaktelement (22) in der Trennstellung (T) entlang der Bewegungsrichtung (24) gegenüber dem dem anderen Kontaktelement (22) zugeordneten Feldsteuerelement (36) von dem einen Kontaktelement (20) weg zurückversetzt ist.
Schalteinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dem anderen Kontaktelement (22) zugeordnete Feldsteuerelement (36) eine Durchgangsöffnung (38) aufweist, durch welche bei einer Bewegung des zweiten Kontaktelements (22) aus der Trennstellung (T) in die Kontaktstellung (K) das zweite Kontaktelement (22) hindurchbewegbar ist.
Schalteinrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dem anderen Kontaktelement (22) zugeordnete und aus einem ersten Werkstoff gebildete Feldsteuerelement (36), insbesondere in einem sich direkt an die Durchgangsöffnung (38) des dem anderen Kontaktelement (22) zugeordneten Feldsteuerelements (36) anschließenden Bereich, mit einer aus einem von dem ersten Werkstoff unterschiedlichen zweiten und temperaturwiderstandsfähigen Werkstoff gebildeten Schicht versehen ist.
Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein dem einen Kontaktelement (20) zugeordnetes Feldsteuerelement (46), wobei das eine Kontaktelement (20) zumindest in der Trennstellung (T) entlang der Bewegungsrichtung (24) gegenüber dem dem einen Kontaktelement (20) zugeordneten Feldsteuerelement (46) von dem anderen Kontaktelement (22) weg zurückversetzt ist.
Schalteinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dem einen Kontaktelement (20) zugeordnete Feldsteuerelement (46) eine Durchgangsöffnung (48) aufweist, durch welche bei einer Bewegung des zweiten Kontaktelements (22) aus der Trennstellung (T) in die Kontaktstellung (K) das zweite Kontaktelement (22) hindurchbewegbar ist.
Schalteinrichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dem einen Kontaktelement (20) zugeordnete und aus einem ersten Material gebildete Feldsteuerelement (46), insbesondere in einem sich direkt an die Durchgangsöffnung (48) des dem einen Kontaktelement (20) zugeordneten Feldsteuerelements (46) anschließenden Bereich (B), mit einer aus einem von dem ersten Material unterschiedlichen zweiten und temperaturwiderstandsfähigen Material gebildeten Schicht (50) versehen ist.
Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kontaktstellung (K) eine entlang der Bewegungsrichtung (24) verlaufende, gegenseitige Kontaktierung der Kontaktelemente (20, 22) unterbleibt.
Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Kontaktelement (22) einen Stift (34) aufweist, welcher die Mantelfläche (32) bildet.
Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Boden (52) der Vakuumschaltröhre (12) wenigstens eine Teilchenfalle (54) angeordnet ist.
Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Federantrieb (56) und/oder einen magnetischen Antrieb, mittels welchem das zweite Kontaktelement (22) aus der Trennstellung (T) in die Kontaktstellung (K) relativ zu der Vakuumschaltröhre (12) entlang der Bewegungsrichtung (24), insbesondere ballistisch, bewegbar ist.
Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dämpfereinrichtung (58), mittels welchem eine Bewegung des zweiten Kontaktelements (22) in die Kontaktstellung (K) zu dämpfen ist.
Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Kontaktelemente (20, 22) als ein Erdungskontakt zur Erdung der Vorrichtung ausgebildet ist.
Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Magneteinrichtung (60) zum Bereitstellen eines Magnetfelds, dessen magnetische Flussdichte entlang der Bewegungsrichtung oder senkrecht zur Bewegungsrichtung (24) verläuft.
Anlage, mit wenigstens einer elektrischen Vorrichtung, und mit wenigstens einer Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch Bewegen des zweiten Kontaktelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung wenigstens ein erster elektrischer Kontakt der Vorrichtung über die Kontaktelemente mit wenigstens einem zweiten elektrischen Kontakt elektrisch verbindbar ist.