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Die Erfindung betrifft einen Mittelspannungs-Lasttrennschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zur Substitution des Isoliergases Schwefelhexafluorid (SF6), das wegen seines hohen Treibhauspotenzials durch Alternativen ersetzt werden soll, werden verschiedene elektrisch isolierende Gase bzw. Flüssigkeiten untersucht. Insbesondere werden im Stand der Technik fluororganische Verbindungen beschrieben, unter denen insbesondere die Fluorketone und die Fluornitrile hervorgehoben werden. Aufgrund einer möglichen Toxizität von Fluornitrilen und aufgrund eines ungünstigen Aggregatszustandes der Fluorketone bei Betriebsbedingungen von Isoliergasen in Stromunterbrechern, werden jedoch auch Luft, synthetische Luft oder Mischung aus natürlichen Gasen wie Kohlenstoffdioxid, Stickstoff oder Sauerstoff eingehend untersucht. Zum derzeitigen Stand haben die beschriebenen Alternativgase zwar ihre grundsätzliche Eignungsfähigkeit als Ersatz für das sehr gut isolierende Schwefelhexafluorid hervorgehoben, dennoch bieten sie letztlich nicht in ihrer Gesamtheit die positiven, insbesondere elektrisch isolierenden Eigenschaften des Schwefelhexafluorids. Aus diesem Grund bedarf es in einigen Anwendungen von Stromunterbrechern auch konstruktiver Änderungen im System, um dasselbe Isolierverhalten bzw. auch dasselbe Lichtbogenlöschverhalten zu erzielen wie das mit einem Stromunterbrecher mit einer SF6-Isolierung der Fall ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Mittelspannungs-Schaltanlage bereitzustellen, die mit einem zum Schwefelhexafluorid (SF6) alternativen Isoliermedium betreibbar ist, und dabei grundsätzlich mit einem Antriebsaggregat antreibbar ist, das ebenfalls einer herkömmlichen Größe und Bauform entspricht.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Mittelspannungs-Lasttrennschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Mittelspannungsschaltanlage gemäß Patentanspruch 1 umfasst ein Antriebssystem und einen Lasttrennschalter. Das Antriebssystem weist dabei eine Antriebswelle und ein Antriebsaggregat auf, der Lasttrennschalter umfasst mindestens zwei zueinander beweglich angeordnete Kontakte, wobei ein Kontakt als Bewegkontakt und ein zweiter Kontakt als Festkontakt ausgestaltet ist. Der Festkontakt ist dabei Bestandteil eines Festkontaktsystems. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Festkontaktsystem ein durch einen Kompressionsstempel veränderbares Kompressionsvolumen aufweist. Zudem weist die Antriebswelle eine Umlenkvorrichtung auf, die an dieser angebracht ist, wobei die Umlenkvorrichtung sowohl mit dem Bewegkontakt als auch mit dem Kompressionsstempel mechanisch verbunden ist. Durch diese Verbindung erfolgt eine Umwandlung der Drehbewegung der Antriebswelle in eine translatorische Bewegung des Bewegkontaktes sowie in eine translatorische Bewegung des Kompressionsstempels.
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Insbesondere im Mittelspannungsbereich, also bei Mittelspannungsschaltanlagen finden Antriebssysteme Anwendung, die darauf basieren, dass Kontakte von Lasttrennschaltern durch eine rotierende Bewegung insbesondere eines rotierenden Antriebs und einer rotierenden Welle übertragen werden. Die Erfindung lehrt, wie ein zu den herkömmlichen Mittelspannungsschaltern alternativer Lasttrennschalter, der ein zusätzliches Löschvolumen, das durch einen Kompressionsstempel verkleinert wird, zum Einsatz kommen kann, wobei ein in der Mittelspannung übliches und auskonstruiertes Antriebssystem in seinen Grundzügen beibehalten werden kann. Dies bewirkt, dass bestehende Konstruktionen in der Mittelspannungstechnik, beispielweise die grundlegende Anordnung von verschiedenen Schaltanlagen zueinander, beibehalten werden können und der Bauraum für herkömmliche Antriebssysteme erhalten bleibt. Grundsätzlich kann auch das Antriebsaggregat und die Antriebswelle unverändert für einen Lastrennschalter, der für Alternativgase geeignete ist, angewandt werden. Dies reduziert die Kosten zur Neuentwicklung von Schaltanlagen, die anstatt dem herkömmlichen Schwefelhexafluorid (SF6) als Isoliergas betrieben werden. Die Erfindung ermöglicht somit einen umweltfreundlichen, treibhausneutralen Betrieb von Mittelspannungsschaltanlagen auf der einen Seite und sie bewirkt, dass die Entwicklungskosten und Produktionskosten für eine derartige Schaltanlage reduziert werden.
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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 festen Verbindungen erfolgen kann.
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Die Erfindung lehrt, dass durch die Umlenkvorrichtung die Drehbewegung der Antriebswelle sowohl in eine translatorische Bewegung des Bewegkontaktes einerseits als auch in eine translatorische Bewegung des Kompressionsstempels andererseits umgewandelt wird. Dabei kann die Umlenkvorrichtung grundsätzlich ein Bauteil umfassen, das als Kurbel bezeichnet wird. Unter einer Kurbel wird insgesamt eine Exzentrizität bezüglich einer Drehachse einer Welle verstanden. Eine derartige Kurbel kann im einfachsten Fall in Form eines Stabs oder einer Stange, die senkrecht zur Welle ausgestaltet ist und an dieser angeordnet ist, ausgestaltet sein. In bevorzugter Ausgestaltungsform ist die Kurbel in Form einer Exzenterscheibe dargestellt. Hierdurch ist es möglich, die Bewegungskinematik der translatorischen Bewegung, die von einer konstanten Drehbewegung erzeugt wird, zu beeinflussen.
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Ferner ist an der Kurbel bevorzugt ein Umlenkhebel angeordnet, der wiederum mindestens ein Gleitlager sowie eine Schubstange aufweist.
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Im Weiteren ist es zweckmäßig, wenn der Umlenkhebel wiederum mit einem Kontaktträger mechanisch in Verbindung steht, und der Kontaktträger wiederum mit dem Bewegkontakt mechanisch in Verbindung steht. Der Kontaktträger kann dabei plattenförmig ausgestaltet sein, er kann jedoch auch beispielsweise schienenförmig ausgestaltet sein. Der Kontaktträger weist dabei eine mechanische Verbindung zu zumindest einem Bewegkontakt, bevorzugt jedoch zu zwei bzw. drei Bewegkontakten auf, sodass mehrere Lasttrennschalter und mehrere Kontakte durch ein Antriebssystem betrieben werden können.
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Für eine stabile translatorische Bewegung des Kontaktträgers und somit des Kontaktes bzw. der Kontakte, ist es zweckmäßig, dass eine Führung des Kontaktträgers entlang einer translatorischen Bewegung durch mindestens eine Führungsstange erfolgt. Diese Führungsstange ist in zweckmäßiger Weise in einen oder mehreren Führungslagern gelagert.
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Des Weiteren ist es zweckmäßig, dass auch der Kompressionsstempel analog zum Bewegkontakt mit einem translatorisch bewegbaren Stempelträger in Verbindung steht. Auf diese Weise kann auch durch den Stempelträger ein oder mehrere Kompressionsstempel simultan bewegt werden.
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Der beschriebene Stempelträger weist jedoch auch noch den Vorteil auf, dass er über die Führungsstange in Wirkverbindung mit dem Kontaktträger steht, sodass durch die translatorische Bewegung des Kontaktträgers sowie der daraus resultierenden translatorischen Bewegung der Führungsstange eine ebenso translatorische Bewegung des Stempelträgers und somit des Kompressionsstempels resultiert. Hierbei handelt es sich um eine Zwangssteuerung des Kompressionsstempels mit der translatorischen Bewegung des Kontaktträgers. Dies wiederum bedeutet, dass die Umlenkvorrichtung lediglich mit dem Kontaktträger oder alternativ lediglich nur mit dem Stempelträger in mechanischer Verbindung stehen muss und die weitere mechanische Verbindung über die Führungsschienen von dem Kontaktträger zum Stempelträger erfolgt.
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Alternativ kann die Mittelspannungsschaltanlage auch so ausgestaltet sein, dass die Umlenkvorrichtung sowohl mit dem Kompressionsstempel als auch mit dem Bewegkontakt beispielsweise über zwei getrennte Umlenkhebel mechanisch in Verbindung steht, sodass es zwischen dem Bewegkontakt und dem Kompressionsstempel bzw. zwischen dem Kontaktträger und dem Stempelträger keine Zwangssteuerung vorliegt. Diese Ausgestaltung kann ggf. konstruktiv etwas aufwendiger sein, sie könnte jedoch auch eine ungleiche translatorische Bewegung der Kontakte einerseits und des Kompressionsstempels andererseits ermöglichen. Somit könnte also die Kinematik der einzelnen Bewegungen, also des Bewegkontaktes und des Kompressionsstempels entsprechend den Anforderungen beeinflusst werden.
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In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Festkontaktsystem des Lasttrennschalters so ausgestaltet, dass es neben dem Kompressionsvolumen und dem Kompressionsstempel den Festkontakt umfasst, der wiederum eine Kontaktbohrung aufweist, wobei die Kontaktbohrung mit dem Kompressionsvolumen in Verbindung steht und eine Verbindung zu einem Lichtbogenraum darstellt. Dies bewirkt, dass bei einer Verkleinerung des Kompressionsvolumens durch die translatorische Bewegung des Kompressionsstempels ein Isoliergas, das sich im Kompressionsvolumen befindet, durch die Kontaktbohrung in den Lichtbogenraum strömt. Hierdurch wird das Löschen eines im Lichtbogenraum beim Schaltvorgang auftretenden Lichtbogens unterstützt. Der Lichtbogen erlöscht durch diese Maßnahme deutlich früher und mit weniger technischen Aufwand als dies bei herkömmlichen Mittelspannungsschaltanlagen ohne Verwendung von Schwefelhexafluorid als Isoliergas der Fall ist. Der Bewegkontakt ist dabei in Form eines Stiftkontaktes ausgestaltet, der im geschlossenen Zustand des Lasttrennschalters zumindest teilweise in die Kontaktbohrung eingreift.
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Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Mittelspannungsschaltanlage mit einem Antriebssystem und einem Lasttrennschalter, wobei eine Umwandlung einer Rotationsbewegung einer Antriebswelle in einer translatorischen Bewegung eines Bewegkontaktes erfolgt,
- 2 eine analoge Ausgestaltungsform gemäß 1, wobei sich der Lasttrennschalter in einem geschlossenen Zustand befindet,
- 3 die Darstellung gemäß 2, wobei sich der Lasttrennschalter in einem geöffneten Zustand befindet und
- 4 einen Querschnitt durch einen Lasttrennschalter mit Kompressionsvolumen und Kompressionsstempel im Festkontaktsystem.
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In 1 ist eine dreidimensionale Darstellung einer Mittelspannungsschaltanlage 2 gegeben, die zum einen ein Antriebssystem 4 und einen Lasttrennschalter 6 aufweist. Dabei umfasst das Antriebssystem zum einen ein Antriebsaggregat 10, das mit einer Antriebswelle 8 in Verbindung steht, die durch das Antriebsaggregat 10 in eine Drehbewegung 24 versetzt wird. Auf der Antriebswelle 8 ist eine Kurbel 30, hier ausgestaltet in Form einer Exzenterscheibe 34 angeordnet, die wiederum einen Umlenkhebel 32 aufweist, der in 1 aufgrund der Perspektive etwas verdeckt dargestellt ist. Die Funktionsweise des Umlenkhebels 32 ist in den 2 und 3 näher erläutert. Der Umlenkhebel 32 wiederum steht in mechanischer Verbindung mit einem Kontaktträger 40, an dem, wie hier exemplarisch dargestellt ist, drei Bewegkontakte 12 des Lasttrennschalters 6 angebracht sind.
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Der Lasttrennschalter 6 wiederum weist dabei zwei Kontakte auf, zum einen den bereits erwähnten Bewegkontakt 12 sowie einen Festkontakt 14. Der Bewegkontakt 12 ist dabei in Form eines Stiftkontaktes ausgestaltet, der Festkontakt ist in diesen Beispielen in Form eines Tulpenkontaktes ausgestaltet, der eine Kontaktbohrung 52 aufweist (vgl. 4). Der Festkontakt 14 ist wiederum Bestandteil eines Festkontaktsystems 16, das wiederum ein Kompressionsvolumen 20 sowie einen im Kompressionsvolumen 20 linear bewegbar gelagerten Kompressionsstempel 18 aufweist. Der Kompressionsstempel 18 bewegt sich dabei translatorisch bevorzugt auf einer Achse zumindest teilweise gleichzeitig mit dem Bewegkontakt 12. Auf die genaue Wirkungsweise und die Kinematik des Lasttrennschalters wird bei der Beschreibung der 4 näher eingegangen werden.
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Ein weiterer Bestandteil des Antriebssystems 4 ist somit der bereits beschriebene Kontaktträger 40 und ein Stempelträger 48, der mit dem Kompressionsstempel 18 in Verbindung steht. Zwischen dem Kontaktträger 40 und dem Stempelträger 48 besteht eine Zwangsführung in Form einer bzw. mehrerer Führungsstangen 44, die in Führungslagern 46 gelagert sind. Durch die? translatorische Bewegung des Stempelträgers 40, die über den Umlenkhebel 32 und die Exzenterscheibe 34 erfolgt, wird zudem sekundär auch der Stempelträger 48 und somit der Kompressionsstempel 18 linear bewegt.
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In 2 ist die Mittelspannungsschaltanlage 2 gemäß 1 in einer leicht gedrehten Perspektive dargestellt, wobei der Umlenkhebel 32 bezüglich seiner Positionierung (vgl. auch 3) deutlicher zu erkennen ist. Der Umlenkhebel 32 weist dabei jeweils zwei Gleitlager 36 auf, die über eine Schubstange 38 miteinander verbunden sind. Ein Gleitlager 36 ist dabei mit einem nicht näher dargestellten Stift an der Exzenterscheibe 34 verbunden, das andere Gleitlager 36 ist analog mit einem ebenfalls nicht näher dargestellten Stift an dem Kontaktträger 40 angebunden. Die Gleitlager 36 können selbstverständlich auch in Form von anderen Lagerarten, beispielsweise Kugellager oder Wälzlager ausgestaltet sein.
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Die 2 zeigt eine geschlossene Position des Lasttrennschalters 6 als Teil der Mittelspannungsschaltanlage 2. Durch die Drehbewegung entlang des Pfeiles 24 gemäß 3 vollzieht die Exzenterscheibe 34 ebenfalls eine Drehbewegung, die über den Umlenkhebel 32, der mit dem Kontaktträger 40 in Verbindung steht in eine translatorische Bewegung 26 gemäß 3 umgewandelt wird. Durch diese translatorische Bewegung 26 werden die Bewegkontakte 12 aus den tulpenförmigen Festkontakten 14 herausgezogen und somit das Kontaktpaar 12, 14 getrennt. Der Stromkreis wird auf diese Weise geöffnet. Die analoge Bewegung des Stempelträgers 48, die mit dem Doppelpfeil 50 beschrieben ist, findet dabei gleichzeitig mit der translatorischen Bewegung 26 statt. Auf diese Weise wird der Kompressionstempel 18 ebenfalls translatorisch verschoben, wobei die hierbei auftretende Kinematik und die resultierende Wirkung bezüglich der 4 beschrieben wird. Zwischen der translatorischen Bewegung 26 des Bewegkontaktes 12 und der translatorischen Bewegung 50 des Kompressionsstempels 18 liegt somit eine Zwangskoppelung vor, die insbesondere über die Führungsstangen 44, die eine Verbindung zwischen dem Kontaktträger 40 und den Stempelträgern 48 herstellen, erfolgt. Aus diesem Grund ist es gemäß der Kinematik, die in den 1 bis 3 dargestellt ist, ausreichend, die Exzenterscheibe 34 mit einem Umlenkhebel 32 auszustatten, dessen translatorische Bewegung über den Kontaktträger 40 indirekt auf den Kompressionsstempelträger 48 übertragen wird.
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Grundsätzlich wäre es jedoch auch zweckmäßig - hier nicht dargestellt- zwei Umlenkhebel 32 an der Exzenterscheibe 34 anzubringen, wobei ein Umlenkhebel, wie beschrieben, mit dem Kontaktträger 40 in Verbindung steht und ein weiterer, hier nicht dargestellter Umlenkhebel mit dem Stempelträger 48 bzw. direkt mit dem Kompressionsstempel 18 mechanisch in Verbindung steht und somit die translatorische Bewegung 50 bewirkt. Grundsätzlich könnten hierfür auch zwei Exzenterscheiben 34 angewandt werden, was hier ebenfalls nicht dargestellt ist. Diese Ausführung hätte den Vorteil, dass bei unterschiedlicher geometrischer Ausgestaltung der Exzenterscheibe 34 bzw. des Umlenkhebels 32 unterschiedliche kinematische Bewegungsabläufe, insbesondere Geschwindigkeiten, des Kompressionsstempels 18 und des Bewegkontaktes 12 vollzogen werden könnten. Andererseits wäre der mechanische Aufwand geringfügig höher.
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In 4 ist ein Querschnitt eines Lasttrennschalters 6 dargestellt, wie er weniger detailliert in den 1 bis 3 enthalten ist. Es wird hierbei lediglich auf die wesentlichen Merkmale des Lasttrennschalters 6 eingegangen. Zum einen weist der Lasttrennschalter 6 einen Bewegkontakt 12 auf, der in einen geschlossenen Zustand (in 4 ist der geöffnete Zustand dargestellt) in den Festkontakt 14, insbesondere in die Kontaktbohrung 52 des Festkontaktes 14 eingreift, wodurch ein elektrischer Stromfluss über diese Kontaktpaarung 12, 14 gewährleistet ist. Bei einer Öffnungsbewegung gemäß des Pfeiles 26 des Bewegkontaktes 12 wird wie bereits bezüglich der 1 bis 3 erläutert wird, simultan der Kompressionsstempel 28, der im Kompressionsvolumen 20 gelagert ist, ebenfalls translatorisch gemäß des Pfeiles 28 bewegt. Hierdurch wird, wie durch die gestrichelte Linie des Kompressionsstempels 18 angedeutet ist, das Kompressionsvolumen 20 verkleinert. Isoliergas, das in dem Kompressionsvolumen 20 vorliegt, wird aufgrund des Stempeldrucks durch die Kontaktbohrung 52 in einen Lichtbogenraum 54 gepresst. Dies ist anhand der Pfeile 58 veranschaulicht. Im Lichtbogenraum 54 liegt während des Öffnungsvorgangs des Lasttrennschalters 6 ein Lichtbogen 56 vor, der durch das ausströmende Isoliergas gemäß der Pfeile 58 gelöscht wird.
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Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass ein für eine Mittelspannungsschaltanlage 2 übliches Antriebssystem 4 mit einem Antrieb des Aggregats 10 und einer Antriebswelle 8 unter denselben Bauraumbedingungen wie bei herkömmlichen Mittelspannungsschaltanlagen eingesetzt werden kann, wobei jedoch gegenüber diesen herkömmlichen Schaltanlagen ein modifizierter Lasttrennschalter 6 beispielsweise gemäß der 4 zum Einsatz kommt. Dieser Lasttrennschalter 6 gemäß 4 ist gegenüber den herkömmlichen, in Mittelspannungsschaltanlagen verwendeten Schaltern mit einem Blasmechanismus versehen, der insbesondere durch den Kompressionsstempel 18 und dessen Steuerung über das Antriebssystem 4 bewirkt wird. Dieser zusätzliche Blasmechanismus, der bei herkömmlichen Mittelspannungsschaltanlagen bzw. den darin verbauten Lasttrennschalter nicht vorgesehen ist, bewirkt, dass auch ohne das Isoliergas SF6 beispielsweise unter Verwendung eines natürlichen Isoliergases, die nötigen Lichtbogenlöscheigenschaften gewährleistet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Mittelspannungsschaltanlage
- 4
- Antriebssystem
- 6
- Lasttrennschalter
- 8
- Antriebswelle
- 10
- Antriebsaggregat
- 12
- Bewegkontakt
- 14
- Festkontakt
- 16
- Festkontaktsystem
- 18
- Kompressionsstempel
- 20
- Kompressionsvolumen
- 22
- Umlenkvorrichtung
- 24
- Drehbewegung
- 26
- translatorische Bewegung Kontakt
- 28
- translatorische Bewegung Kompressionsstempel
- 30
- Kurbel
- 32
- Umlenkhebel
- 34
- Excenterscheibe
- 36
- Gleitlager
- 38
- Schubstange
- 40
- Kontaktträger
- 42
- translatorische Bewegung Kontaktträger und Führungsstange
- 44
- Führungsstange
- 46
- Führungslager
- 48
- Stempelträger
- 50
- translatorische Bewegung Stempelträger
- 52
- Kontaktbohrung
- 54
- Lichtbogenraum
- 56
- Lichtbogen
- 58
- Strömung Isoliergas
