DE102019220350A1

DE102019220350A1 - Elektrischer Schalter mit einer Unterbrechereinheit und einer Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102019220350A1
Application number: DE102019220350.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Schacherer; Florian Schirrmacher; Gerit Ebelsberger; Matthias Gerlich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter mit einer Unterbrechereinheit (4) mit zwei Kontakten (12, 13) und mit einer Antriebseinheit (6), die einen Antriebsenergiespeicher (14) umfasst, der wiederum eine mechanische Wirkachse in Form einer Antriebsachse (8) aufweist, wobei die Unterbrechereinheit (4) ebenfalls eine mechanische Wirkachse in Form einer Kontaktbewegungsachse (10) aufweist, entlang der mindestens einer der Kontakte (12, 13) als Bewegkontakt (12) translatorisch bewegbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsachse (8) und die Kontaktbewegungsachse (10) kippbar zueinander gelagert sind und die Übertragung einer Antriebskraft (F) vom Antriebsenergiespeicher (14) zum Bewegkontakt (12) durch ein flexibles Kraftübertragungsmittel (16) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter mit einer Unterbrechereinheit und einer Antriebseinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In elektrischen Energieübertragungssystemen sind verschiedene Betriebsmittel zur Lastflusssteuerung und zum Schutz von Personen und der angeschlossenen Betriebsmittel vorhanden. Unter anderem werden dort Leistungsschalter zum Unterbrechen von Nenn- und Kurzschlussströmen eingesetzt. Um einzelne Abschnitte in einen sicheren Betriebszustand zu versetzen, werden Trennschalter und Erdungsschalter verwendet. Die Trennschalter besitzen aus Sicherheitsgründen eine von außen erkennbare Trennstrecke, über die der Leistungsschalter nicht verfügt. Werden in einem luftisolierten Umspannwerk Leistungsschalter, Trennschalter und Erdungsschalter verbaut, ist der Abstand bzw. der Platzbedarf aufgrund der notwendigen Isolationsabstände zwischen den Schaltgeräten aber auch zwischen den Sammelschienen in einzelnen Außenleitern sehr groß. Um diesen Abstand bzw. den Platzbedarf für ein und mehrere Felder in einem Umspannwerk zu verringern, können dafür neuartige Schaltgeräte eingesetzt werden, die die Funktion Leistungsschalter, Trennschalter und ggf. auch einen Erdungsschalter in einem Gerät bereitstellen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Platzbedarf einer Freiluftschalteranlage zu reduzieren.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem elektrischen Schalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Der erfindungsgemäße elektrische Schalter weist dabei eine Unterbrechereinheit mit zwei Kontakten sowie einer Antriebseinheit auf, die wiederum einen Antriebsenergiespeicher umfasst. Der Antriebsenergiespeicher umfasst dabei eine mechanische Wirkachse in Form einer Antriebsachse, die Unterbrechereinheit hingegen umfasst ebenfalls eine mechanische Wirkachse in Form einer Kontaktbewegungsachse, entlang der mindestens einer der Kontakte als Bewegkontakte translatorisch bewegbar gelagert ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Antriebsachse und die Kontaktbewegungsachse kippbar zueinander gelagert sind und die Übertragung einer Antriebskraft vom Antriebsenergiespeicher zum Bewegungskontakt durch ein flexibles Kraftübertragungsmittel erfolgt.
Hierbei versteht man unter einem flexiblen Kraftübertragungsmittel beispielsweise ein Seil, ein Band, ein Keilriemen, ein Zahnriemen oder eine Kette wie beispielsweise eine Antriebskette für ein Motorrad. Derartige flexible Kraftübertragungsmittel unterscheiden sich von nicht flexiblen Kraftübertragungsmitteln wie Schubstangen, auch wenn diese über Gelenke Richtungsänderungen in ihrer Wirkung vornehmen können, darin, dass sie keine Schubkraft übertragen können. Durch die beschriebenen flexiblen Kraftübertragungsmittel wird eine Zugkraft übertragen.
Der Vorteil dieser flexiblen Kraftübertragungsmittel besteht darin, dass sie besonders leicht im Sinne von eine geringe Masse aufweisend, ausgestaltet werden können und daher die während des Schaltvorgangs zu bewegende Masse gegenüber verwendeten Schubstangen, insbesondere metallischen Schubstangen, gering gehalten werden kann. Außerdem weisen die flexiblen Kraftübertragungsmittel, wie sie beschrieben sind, auch den Vorteil auf, dass sie in den meisten Fällen elektrisch isolierend ausgestaltet sind. Beispielsweise ist ein Seil aus Aramidfasern elektrisch isolierend, sehr leicht und besonders zugfest bei einem hohen Elastizitätsmodul und weist damit eine geringe Dehnung unter Zugbelastung auf.
Die Querschnittsfläche (kreisförmig, elliptisch oder eckig) des Kraftübertragungsmittels kann beispielsweise allgemein vorteilhaft unterhalb von 20 mm^2 liegen, um eine vergleichsweise geringe Masse der Übersetzungseinheit zu erreichen.
Beispielsweise können die Querschnitt zwischen 3 mm^2 und 80 mm^2 liegen, womit insbesondere Zugfestigkeiten zwischen 4 kN und 120 kN erreicht werden können. Die Festigkeit beträgt beispielsweise bei einem Durchmesser von 2 mm bis 4 mm zwischen 100N/mm² und 2000 N/mm², bei 3mm 1500N/mm².
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Antrieb in verschiedenen Positionen bzw. Kippwinkeln antriebsbereit bzw. schaltbereit ist und somit immer bei Bedarf geschlossen oder geöffnet werden kann. Um diese Funktionalität zu erreichen, dient wiederum das flexible Kraftübertragungsmittel, das entlang einer Kippachse anders als eine starre Schubstangen in jede Position mit verfahren werden kann und so eingestellt werden kann, dass in jeder Funktionsposition der Unterbrechereinheit, ob horizontal oder vertikal (oder in einer Zwischenposition), ein Schaltvorgang möglich ist. Auf diese Weise können weitere Spezialschalter in einem Umspannwerk überflüssig werden, Funktionen wie Erdung, Trennung oder Lastschalten können mit einem einzigen Schalter auf einen sehr geringen Bauraum integriert werden.
Gemäß einer allgemein besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Antriebsenergiespeicher als Gasdruckfeder ausgebildet. Eine Gasdruckfeder ist eine pneumatische Feder, die ein unter Hochdruck stehendes Gas zur Bereitstellung der Federkraft nutzt. Eine Gasdruckfeder zeichnet sich unter anderem durch eine vom Federweg nahezu unabhängige Kraft sowie durch einen vergleichsweise geringen Platzbedarf aus. Weiterhin kann die Federkraft weitgehend unabhängig von der Federmasse eingestellt werden. Die Wandelemente müssen nur dem benötigten Gasdruck standhalten können. So kann mit einer Gasdruckfeder vorteilhaft eine besonders hohe Energiedichte (in Joule/Kilogramm) erreicht werden. Dadurch kann die Eigenmasse der Antriebseinheit vorteilhaft gering gehalten werden. Die für die Bewegung eines typischen Schaltkontakts benötigte kinetische Energie von typischerweise etwa 100 J bis zu einigen kJ kann mit einer Gasdruckfeder relativ leicht gespeichert und freigesetzt werden.
Eine Gasdruckfeder kann beispielsweise mit einem Gaszylinder und einem in axialer Richtung beweglich darin angeordneten Kolben realisiert sein. Optional kann neben dem variablen Gasvolumen zusätzlich auch ein Flüssigkeitsvolumen vorliegen (beispielsweise mit einem Öl).
Alternativ zu einer solchen herkömmlichen Gasdruckfeder kann die Gasdruckfeder aber auch besonders vorteilhaft einen innenliegenden Gasraum aufweisen, welcher durch wenigstens ein Balgelement begrenzt wird. Ein solches Balgelement kann insbesondere eine variable axiale Länge aufweisen, wobei sich die Bezeichnung „axial“ auf eine übergeordnete Federachse bezieht, welche beispielsweise eine Zylinderachse eines zylinderförmigen Balgelements sein kann. Eine solche axiale Längenänderung kann durch ein Zusammendrücken bzw. ein Auseinanderziehen des Balgs ermöglicht werden.
Ein solches Balgelement kann beispielsweise durch ein metallisches Balgelement gegeben sein. Mit anderen Worten kann die Wand des Balgelements vorteilhaft aus einem metallischen Material gebildet sein oder zumindest ein solches metallisches Material umfassen. Diese Variante ermöglicht vorteilhaft eine besonders gasdichte und robuste Ausgestaltung des Balgelements.
Allgemein vorteilhaft kann das wenigstens eine Balgelement zylinderförmig ausgestaltet sein und den innenliegenden Gasraum in radialer Richtung nach außen hin begrenzen. Besonders vorteilhaft wird der Gasraum in axialer Richtung einerseits durch eine Kopfplatte und andererseits durch eine Bodenplatte begrenzt. Vorteilhaft können Kopfplatte, Bodenplatte und das wenigstens eine Balgelement miteinander verschweißt sein, so dass insgesamt ein gasdichtes Volumen ausgebildet wird.
Das Balgelement kann beispielsweise als Faltenbalg und/oder als Membranbalg ausgestaltet sein. Es kann also insbesondere als ringförmige Seitenwand mit einem faltenartigen Profil ausgebildet sein. Das faltenartige Profil kann insbesondere eine regelmäßige Abfolge aus einer Mehrzahl von Wellen aufweisen. Eine solche ringförmige Seitenwand kann vorteilhaft durch eine entsprechend gefaltete beziehungsweise gewellte elastisch verformbare (aber fluiddichte) Membran gebildet sein. Eine solche Membran kann allgemein auch mehrlagig ausgebildet sein. Die Verwendung eines gasdichten Balgelements für den Antriebsenergiespeicher bewirkt den Vorteil, dass mit vergleichsweise geringem apparativen Aufwand eine hohe Energiemenge für die Bewegung des Bewegkontakts bereitgestellt werden kann. Der wesentliche Nachteil solcher Balgelemente ist ihr vergleichsweise geringer Primärhub. Dies kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber vorteilhaft durch die beschriebene Übersetzungseinheit ausgeglichen werden.
Gemäß einer allgemein besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Gasdruckfeder ist der Gasraum ein ringförmiger Gasraum, welcher durch zwei konzentrisch ineinander liegende ringförmige Balgelemente begrenzt wird. Es kann sich dabei wiederum jeweils um zylinderförmige Balgelemente handeln, wobei eines den Gasraum nach radial innen begrenzt und das andere den Gasraum nach radial außen begrenzt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass im Zentrum der Gasdruckfeder ein offener Freiraum verbleiben kann. Durch einen solchen zentralen Freiraum kann dann beispielsweise eine zentrale Kontaktstange des Bewegkontakts oder ein anderes zentrales Element geführt sein.
Ferner ist es zweckmäßig, dass ein Kippelement z.B. in Form einer Kipprolle oder Walze vorgesehen ist, entlang der das flexible Kraftübertragungsmittel während des Kippens der Antriebsachse und der Bewegungskontaktachse geführt ist. Durch diese Kipprolle kann das Abkippen der Antriebseinheit oder der Unterbrechereinheit ausgeführt werden, wobei die Übertragung der Bewegung an den Bewegkontakt über das flexible Kraftübertragungsmittel weiterhin möglich bleibt. Dieses wird über das Kippelement lediglich umgelenkt. Dabei ist anzumerken, dass eine Kippelement entsprechend der Art des Kraftübertragungsmittels ausgestaltet ist. Bei einem Seil handelt es sich um eine Führungsrolle mit einer nutartigen Vertiefung. Bei einem Zahnriemen, einem Keilriemen oder einer Antriebskette weist die Kipprolle dabei entsprechende systembedingte Eigenschaften auf. Zum Beispiel handelt es sich bei einer Antriebskette bei der Kipprolle bevorzugt um ein Zahnrad.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Antriebseinheit zwei getrennte Systeme, nämlich ein Öffnungssystem und ein Schließsystem mit jeweils eigenen flexiblen Kraftübertragungsmitteln und jeweils einen Antriebsenergiespeicher auf. Durch diese beiden Antriebssysteme ist eine translatorische Bewegung des mindestens einen Bewegkontaktes in eine Öffnungsrichtung und in eine Schließrichtung ermöglicht.
Ferner ist es bei dieser Konstruktion zweckmäßig, dass in einem der Systeme, im Öffnungs- oder im Schließsystem, der Antriebseinheit mittels einer Umlenkvorrichtung mindestens einmal eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Antriebsenergiespeichers erfolgt. Auf diese Weise können die beiden Antriebsenergiespeicher der beiden Systeme des Antriebsaggregates in unterschiedliche Richtungen zeigen, sie behindern sich bei ihrer Bewegung dabei nicht. Ferner ist es auch möglich, dass ein Antriebsenergiespeicher bei seiner Öffnungsbewegung bzw. seiner Schließbewegung den anderen Antriebsenergiespeicher des parallelen Systems öffnet oder schließt bzw. spannt oder entlastet. Die Umkehr der Bewegungsrichtung erfolgt in einer Ausführungsform im Schließsystem. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die wichtigste Aufgabe des Schalters darin besteht, möglichst schnell zu öffnen.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn das System, das eine Umlenkvorrichtung aufweist, eine zweite Umlenkvorrichtung aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, dass sich die Antriebsenergiespeicher für die Öffnungsbewegung und für die Schließbewegung in unterschiedliche Richtung ausdehnen können. Dies ist für die Bauraumeinsparung besonders vorteilhaft. Damit wird erzielt, dass die Antriebsenergiespeicher des Öffnungssystems und des Schließsystems in gegenüberliegende Richtungen verlaufen.
Ferner ist es zweckmäßig, dass eine Übersetzungsvorrichtung vorgesehen ist, entlang derer das flexible Kraftübertragungsmittel geführt ist und durch das der maximale Weg, den der Bewegungskontakt beschreibt, gegenüber einer Maximalauslenkung des Antriebsenergiespeichers verlängert wird. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn ein sehr schneller Schaltvorgang erforderlich ist oder ein großer Kontaktweg notwendig ist. Durch die beschriebene Maßnahme wird in derselben Zeit, die der Antriebsenergiespeicher für seine maximale Expansion benötigt, der Bewegkontakt einer je nach Übersetzung deutlich größeren Entfernung zum Festkontakt bzw. zu dem zweiten Kontakt geschaffen, sodass in derselben geringen Zeitspanne, in der sich der Antriebsenergiespeicher entfaltet, ein hoher Abstand zwischen den Kontakten hergestellt werden kann.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Übersetzungsvorrichtung mindestens zwei zentrisch gelagerter Rollen aufweist, über die das Kraftübertragungsmittel gelenkt ist und dabei mindestens zwei Richtungsänderungen erfährt. Dies bedeutet, dass die beiden beschriebenen zentrisch gelagerten Rollen zur Umlenkung des Kraftübertragungsmittels eine analoge Wirkung wie ein Flaschenzug herbeiführen. Dabei wird in derselben Zeit mit höherer Geschwindigkeit ein längerer Weg des Kraftübertragungsmittels und somit des Bewegungskontaktes zurückgelegt.
Bei dem beschriebenen elektrischen Schalter handelt es sich bevorzugt um einen Hochspannungsschalter oder um einen Mittelspannungsschalter, die insbesondere im Freiluftbetrieb betrieben werden.
Es ist zweckmäßig, bei der beschriebenen Kinematik einen Antriebsenergiespeicher in Anwendung zu bringen, der einen im Wesentlichen konstanten Kraftverlauf hat. Verschiedene mechanische Federn weisen entsprechende Kraft-Weg- oder Zeit-Weg-Kennlinien auf, besonders vorteilhaft ist hierbei wieder bereits beschriebene Gasfeder.
Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein schematische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Lastschalters, der durch Umlegen der Antriebseinheit zu einem Erdungsschalter umgewandelt werden kann,
2 eine schematische Querschnittsdarstellung der Antriebs- und Unterbrechereinheit in der Kippbewegung des Schalters gemäß 1, wobei nur die Öffnungsfunktion dargestellt ist,
3 ebenfalls eine Querschnittsdarstellung eines entsprechenden Schalters gemäß 1 und 2 in einer detaillierteren Darstellung der Umlenksysteme und der flexiblen Kraftübertragungsmittel,
4 eine entsprechende Darstellung eines Schalters gemäß 3 in ähnlicher Ausgestaltungsform unter Verwendung einer Übersetzung.

In der 1 ist ein Schalter 2 dargestellt, der in grundsätzlicher Ausgestaltungsform die Funktion eines Leistungsschalters, eines Trennschalters und/oder eines Erdungsschalters in einem Gerät vereinen kann. Dabei ist vorgesehen, dass der obere Teil in Form eines luftisolierten Leistungsschalters mit einer Kontaktierung 46-1 entlang der Schwenkachse 21 mit einer Unterbrechereinheit 4 beweglich ausgeführt ist, sodass er entlang der Linie 42 in 1 eine Kippbewegung vornehmen kann. Ferner sind mehrere Isolationsvorrichtungen 44 vorgesehen. Im gekippten Zustand der Unterbrechereinheit 4, die in der 1 nicht dargestellt ist, befindet sich die Kontaktierung 46-1 in Kontakt mit der Kontaktierung 46-2 auf Erdungsniveau. Die Unterbrechereinheit 4 ist dabei so ausgestaltet, dass sie sowohl in der gezeigten Ausgestaltungsform als Lastschalter eine Trennung von Kontakten 12 und 13 vornehmen kann. Die Unterbrechereinheit 4 ist dabei so ausgestaltet, dass sie sowohl in der gezeigten Ausgestaltungsform als Leistungsschalter die Kontakten 12 und 13 öffnen kann. Ferner ist ein Schalten, also ein Öffnen oder ein Schließen der Kontakte 12 und 13 auch in der Position mit der Kontaktierung 46-2 möglich. Mit dieser Funktionsweise kann eine Schnellerdungsfunktion ermöglicht werden, wenn der Kontakt 46-2 auf Erdpotential liegt. Hierfür ist eine entsprechende Antriebseinheit 6 vorgesehen, deren Wirkungsweise an den schematischen Darstellungen der 2 bis 4 näher erläutert wird.
2 zeigt eine stark schematisierte Darstellung der Kippbewegung 42 und der dabei wirkenden Kräfte für den Öffnungsvorgang im Schalter 2. Dabei weist der Schalter 2 wie beschrieben eine Antriebseinheit 6 und eine Unterbrechereinheit 4 auf. Die Unterbrechereinheit 4 weist dabei zwei Kontakte 12 und 13 auf, wobei der Kontakt 12 in der Ausgestaltung gemäß 2 als ein Bewegkontakt ausgestaltet ist. Grundsätzlich könnten beide Kontakte 12 und 13 als Bewegkontakte ausgestaltet sein, technisch einfacher ist es jedoch, den Kontakt 13 als Festkontakt zu betreiben, wie dies in 2 dargestellt ist. Der Bewegkontakt 12 ist dabei entlang einer mechanischen Wirkachse translatorisch bewegbar gelagert, diese mechanische Wirkachse wird als Kontaktbewegungsachse 10 bezeichnet. Die Kontaktbewegungsachse 10 geht in einer zu ihr senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufenden Kippachse 21 in eine weitere mechanische Wirkachse über, die hier als Antriebswirkachse 8 bezeichnet ist. In der Kippachse 21 sind die beiden Achsen 10 und 8 analog der in 1 beschriebenen Kippbewegung kippbar zueinander angeordnet. Die Kippachse 21 kann allerdings auch an einer anderen Position näher an der Unterbrechereinheit oder an der Antriebseinheit liegen. So kann die Kippachse 21 senkreckt zur Rotationsachse der Umlenkrollen 31 verlaufen. Damit sind die Rollen 31 und 20 dieselben.
Entlang der beiden mechanischen Wirkachsen, der Antriebswirkachse 8 und der Kontaktbewegungsachse 10 ist ein flexibles Kraftübertragungsmittel 16 verlegt, das in diesem Fall über eine Kippelement in Form einer Kipprolle 20 verläuft, und über das eine Zugkraft entlang der Achsen 8 und 10 übertragbar ist. Ein weiterer Bestandteil der Antriebseinheit ist neben der Antriebswirkachse 8 ein Antriebsenergiespeicher 14, der hier als Gasfeder 18 ausgestaltet ist. Die Gasfeder 18 weist dabei Metallbalge auf, die sich bei ihrer Expansion besonders gleichmäßig mit einer gleichmäßigen Kraft und linearen Bewegung entfalten. Dabei entfaltet sich die Gasfeder 18 entlang des Pfeiles 32, der eine Bewegungsrichtung der Gasfeder 18 in Öffnungsrichtung darstellt. Die maximale Ausdehnung der Gasfeder 18 ist durch den Abstand 38 markiert. Hierbei wird die Kraft F auf das Kraftübertragungsmittel 16, das in dieser Form als ein Seil ausgestaltet ist, übertragen. Das Kraftübertragungsmittel 16 ist dabei an einer Kopfplatte 52 der Gasfeder 18 befestigt und wird über eine Umlenkvorrichtung 30 und eine dazugehörende Umlenkrolle 31 in seiner Richtung umgelenkt, sodass über die Antriebsachse 8 und die Kontaktbewegungsachse 10 eine Öffnungsbewegung des Kontaktes 12 bezüglich des Festkontaktes 13 resultiert. Es ist dabei festzuhalten, dass obwohl sich die Gasfeder 18 in Richtung des Pfeiles 32 bewegt, eine Zugkraft auf den Bewegkontakt 12 ausgeübt wird, die zu dieser Öffnungsbewegung führt.
Da durch die flexiblen Kraftübertragungsmittel 16, hier in Form eines Seiles, jedoch auch in zweckmäßiger Weise in Form eines Zahnriemens oder Keilriemens lediglich Zugkräfte übertragen werden können, ist es zweckmäßig, dass, wie in 3 dargestellt, die Antriebseinheit 6 zwei Systeme, nämlich ein Öffnungssystem 22 und ein Schließsystem 24 umfasst. Jedes der Systeme 22 und 24 weist dabei einen Antriebsenergiespeicher 14 auf, der wiederum auch hier in Form einer besonders vorteilhaften Gasfeder 18 ausgestaltet ist.
Die Gasfeder 18 hat zwar einen relativ kurzen Hub, der hier als Maximalauslenkung 38 eingezeichnet ist. Trotz des verhältnismäßig kurzen Maximalhubs 38 wird diese Auslenkung in einer sehr kurzen Zeit im Vergleich zu anderen Antriebsenergiespeicher erzielt. Die Gasfeder 18 weist also eine sehr hohe Geschwindigkeit auf. zusätzlich weist das gesamte System der Gasfeder 18 eine gegenüber vergleichbaren Antriebsenergiespeichern eine geringe bewegte Masse auf. Das gleiche gilt für das Kraftübertragungsmedium 16, insbesondere wenn dieses in Form eines Seiles, beispielsweise eines Aramidseiles, ausgestaltet ist. Auch hier müssen vergleichsweise (der Stand der Technik beschreibt im Wesentlichen Schubstangen aus Metall) sehr geringe Massen bewegt werden. Ferner hat die Verwendung eines flexiblen Kraftübertragungsmediums, insbesondere in Form eines Seiles oder eines Zahn- bzw. Keilriemens oder einer Kette den Vorteil, dass zwischen der Antriebseinheit 6 und dem Kontakt 12 eine elektrische Isolierung bei der Kraftübertragung vorliegt.
3 zeigt, wie bereits beschrieben, ein Öffnungssystem 22 und ein Schließsystem 24. Beide weisen ähnliche Antriebsenergiespeicher 14 auf, die in Form von Gasfedern 18-1 und 18-2 ausgestaltet sind. In dem Beispiel gemäß 3 besteht jedoch der Unterschied, dass die beiden Gasfedern 18-1 und 18-2 ihre Auslenkung in unterschiedliche Richtungen bewirken. So öffnet das Öffnungssystem die Gasfeder 18-1 in Richtung des Pfeiles 32 und die Gasfeder 18-2, die das Schließsystem 24 antreibt, in Richtung des Pfeiles 34.
Bei dem Öffnungssystem 22 ist die Gasfeder 18-1 so ausgerichtet, dass eine direkte Zugkraftübertragung vom Bewegkontakt 12 entlang der hier dargestellten Bewegkontaktachse 10 und im weiteren Verlauf entlang der Antriebswirkachse 8 erfolgt. In diesem Fall ist keine Umlenkung, wie sie bereits in 2 beschrieben ist, erforderlich.
Im Gegensatz dazu weist das Schließsystem 24 zwei Umlenkvorrichtungen 30-1 und 30-2 auf, die jeweils eine Umlenkrolle 31 aufweisen, über das das Kraftübertragungsmittel 16 in seiner Wirkrichtung umgelenkt wird. Dies bewirkt, dass die Gasfeder 18-2, die ihre Auslenkung entlang des Pfeiles 34 entfaltet, zu einer Schließbewegung in Schließrichtung 28 führt. Dies steht im Gegensatz zur Öffnungsrichtung 26, die durch die Gasfeder 18-1 bewirkt wird. Es ist auffällig, dass in dieser Ausgestaltungsform die resultierende mechanische Wirkung (Pfeile 26 und 28) in diametral entgegengesetzte Richtungen zeigen, genauso wie dies die Bewegungsrichtungen 32 und 34 der Gasfedern 18-1 und 18-2 tun. Unter Berücksichtigung, dass die flexiblen Kraftübertragungsmittel 16 lediglich Zugkräfte übertragen können, kann dies lediglich über eine beschriebene Umlenkvorrichtung 30-1 und 30-2 bewirkt werden.
Wie bereits beschrieben, weist eine Gasfeder 18 eine verhältnismäßig geringe Maximalauslenkung 38 auf, was sie nach Bauart für Vakuumschalter bezüglich des erforderlichen resultierenden Abstandes zwischen den Kontakten 12 und 13 ausreichend sein kann, um die gewünschte elektrische Isolierung bzw. elektrische Trennung zu bewirken. Sollte jedoch ein Gasschalterkontaktsystem oder ein Gastrennschalter angetrieben werden, ist es gelegentlich notwendig, die Trennung der Kontakte 12 und 13 in sehr kurzer Zeit über eine relativ weite Strecke vorzunehmen, sodass ein elektrische Isolierung erfolgt. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn eine Übersetzungsvorrichtung 36 vorgesehen ist, die, wie in 4 dargestellt, mehrere Übersetzungsrollen 40 analog der Wirkung eines Flaschenzuges aufweist. Hierdurch wird der Weg, der die Maximalauslenkung 38 der Gasfeder 18 beschreibt, in seiner Wirkung deutlich verlängert, sodass die maximale Auslenkung 50, die durch die Übersetzungsvorrichtung 36 hervorgerufen wird, deutlich größer ist, als die Auslenkung 38. Hierdurch wird bewirkt, dass in derselben Zeit, in der sich die Gasfeder 18 entspannt, der Kontakt 12 mit einer entsprechend höheren Geschwindigkeit in seinen geschlossenen Zustand bewegt wird, und um den Auslenkungsweg 50 von dem Festkontakt 13 angenähert wird. Mit einem größeren Kontaktabstand, kann insbesondere bei einem Gasschalter eine höhere elektrische Isolation erzielt werden, als dies bei dem geringeren Abstand 38, der die direkte Auslenkung der Gasfeder 18 beschreibt, möglich wäre.
Insgesamt ist es durch die beschriebene Technologie möglich, wie in 1 dargestellt, verschiedene Schaltertypen, nämlich Schnellerder, Lastschalter oder Trennschalter, insbesondere aufgrund der Kippbarkeit entlang der Achse 21 in einen einzigen Schalter 2 zu integrieren. Das Kippen entlang der Kippbewegung 42 um die Achse 21 über die Kipprolle 20 ist aber wie beschrieben in vorteilhafterweise in dieser Form vorteilhaft durch flexible Kraftübertragungsmittel 16 zu erzielen. Es wird dabei auf starre und damit schwere Schubstangen, die üblicherweise in derartigen Antrieben bzw. Schaltern zur Verwendung kommen, verzichtet. Ferner haben die flexiblen Kraftübertragungsmittel 16 den Vorteil, dass durch sie eine elektrische Isolierung zwischen der Antriebseinheit 6 und der Unterbrechereinheit 4 erzielt werden kann. Durch entsprechendes Justieren des Öffnungssystems 22 und Schließsystem 24 ist es möglich, dass über die flexiblen Kraftübertragungsmittel 16 sowohl im aufrechten Zustand, wie er in 1 dargestellt ist, und in dem gekippten Zustand die Antriebseinheit 4 eingeschaltet und ausgeschaltet werden kann.
Die Gasdruckfeder 18 weist einen innenliegenden Gasraum 54 auf, welcher mit einem unter Druck stehenden Gas befüllt werden kann. Ein Betriebsdruck der Gasdruckfeder kann beispielsweise vorteilhaft in einem Bereich zwischen 30 bar und 300 bar liegen. Beim Beispiel der 3 wird der Gasraum 54 der Gasdruckfeder 18 durch ein metallisches Balgelement 56 begrenzt. Dieses Balgelements 56 bildet eine Seitenwand mit einer zylindrischen Grundform mit einer Zylinderachse A, wobei dieser Grundform eine Wellenstruktur überlagert ist. Hierdurch erhält das Balgelements 56 eine variable Ausdehnung in Richtung der Zylinderachse A, die gleichzeitig die zentrale Achse der Gasdruckfeder 18 bildet. In axialer Richtung ist der innenliegende Gasraum 54 durch eine feststehende, also auf mechanischer Masse 30 liegende Bodenplatte 58 und eine gegenüberliegende Kopfplatte 52 begrenzt. Wenn die Gasdruckfeder unter Druck steht, wirkt somit eine Federkraft F auf die Kopfplatte 52. Der im Bereich dieser Kopfplatte 52 zur Verfügung stehende Hub, also die Maximalauslenkung 38 die die Kopfplatte 52 bis zu einem Anschlag 48 zurücklegen kann, ist bei typischen Gasdruckfedern wie bereits erwähnt auf relativ geringe Werte von beispielsweise nur wenigen Millimetern begrenzt.
Der Gasraum 54 ist in dieser Ausgestaltung gemäß der 2-4 ringförmig ausgebildet. Er wird durch zwei konzentrisch ineinanderliegende Balgelemente begrenzt, ein radial inneres Balgelement 60 und das radial äußeres Balgelement 56. Auch diese beiden Balgelemente weisen jeweils eine zylindrische Grundform mit überlagerter Wellenstruktur auf. Bei der Montage der Gasdruckfeder werden die einzelnen metallischen Elemente 52, 56, 58 und 60 sequentiell miteinander verschweißt, so dass der gasdichter ringförmiger Gasraum 54 gebildet wird. Grundsätzlich kann auf das innere Balgelement 60 verzichtet werden, der Gasraum 54 wird jedoch hierdurch verkleinert, was weniger Energie bei der Kompression, also beim Spannen der Gasfeder erfordert.
Bezugszeichenliste

2: Schalter
4: Unterbrechereinheit
6: Antriebseinheit
8: Antriebswirksachse
10: Kontaktbewegungsachse
12: Bewegkontakt
13: Festkontakt (zweiter Kontakt)
14: Antriebsenergiespeicher
A: Zylinderachse
F: Antriebskraft
16: Kraftübertragungsmittel flexibel
18: Gasfeder
20: Kipprolle
21: Schwenkachse
22: Öffnungssystem
24: Schließsystem
26: Öffnungsrichtung
28: Schließrichtung
30: Umlenkvorrichtung
31: Umlenkrolle
32: Bewegungsrichtung Öffnungssystem
34: Bewegungsrichtung Schließsystem
36: Übersetzungsvorrichtung
38: Maximalauslenkung Gasfeder
40: Übersetzungrollen
42: Kippbewegung
44: Isolatoren
46: Kontaktierung
48: Anschlag
50: Auslenkung Übersetzungsvorrichtung
52: Kopfplatte Gasfeder
54: innenliegender Gasraum
56: Balgelement
58: Bodenplatte
60: zweites Balgelement

Claims

Elektrischer Schalter mit einer Unterbrechereinheit (4) mit zwei Kontakten (12, 13) und mit einer Antriebseinheit (6), die einen Antriebsenergiespeicher (14) umfasst, der wiederum eine mechanische Wirkachse in Form einer Antriebsachse (8) aufweist, wobei die Unterbrechereinheit (4) ebenfalls eine mechanische Wirkachse in Form einer Kontaktbewegungsachse (10) aufweist, entlang der mindestens einer der Kontakte (12, 13) als Bewegkontakt (12) translatorisch bewegbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsachse (8) und die Kontaktbewegungsachse (10) kippbar zueinander gelagert sind und die Übertragung einer Antriebskraft (F) vom Antriebsenergiespeicher (14) zum Bewegkontakt (12) durch ein flexibles Kraftübertragungsmittel (16) erfolgt.
Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsenergiespeicher (14) in Form einer Gasfeder (18) ausgestaltet ist.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kippelement (20) vorgesehen ist, entlang derer das flexible Kraftübertragungsmittel (16) während des Kippens der Antriebsachse (8) und der Bewegkontaktachse (10) geführt ist.
Elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (6) zwei getrennte Systeme (22, 24), ein Öffnungssystem (22) und ein Schließsystem (24) mit flexiblen Kraftübertragungsmitteln (16) und Antriebsenergiespeichern (14) umfasst, durch die jeweils die translatorische Bewegung des Bewegkontaktes (12) in eine Öffnungsrichtung (26) und in eine Schließrichtung (28) erfolgt.
Elektrischer Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch jedes der Systeme (22, 24) das flexible Kraftübertragungsmittel (16) eine Zugkraft überträgt.
Elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Systeme (22, 24) der Antriebseinheit (6) mittels einer Umlenkvorrichtung (30) mindestens einmal eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Antriebsenergiespeichers (14) erfolgt.
Elektrischer Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehr der Bewegungsrichtung im Schließsystem (24) erfolgt.
Elektrischer Schalter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Umlenkvorrichtung (30-2) zu einer zweiten Umkehr der Bewegungsrichtung vorgesehen ist.
Elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtungen (32, 34) der Antriebsenergiespeicher (14-1, 14-2) des Öffnungssystems (22) und des Schließsystems (24) in gegenüberliegende Richtungen verlaufen.
Elektrischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übersetzungsvorrichtung (36) vorgesehen ist, entlang derer das flexible Kraftübertragungsmittel (16) geführt ist und durch das der maximale Weg, den der Bewegkontakt (12) beschreibt, gegenüber einer Maximalauslenkung (38) des Antriebsenergiespeichers (14), verlängert wird.
Elektrischer Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsvorrichtung (36) mindestens zwei zentrisch gelagerte Rollen (40) aufweist über die das Kraftübertragungsmittel (16) gelenkt ist und dabei mindestens zwei Richtungsänderungen erfährt.
Elektrischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungsmittel (16) ein Seil, ein Band, ein Keilriemen, ein Zahnriemen oder eine Kette ist.
Elektrischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Kraftübertragungsmittel (16) elektrisch isolierend ausgestaltet ist.
Elektrischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (2) ein Hochspannungsschalter oder ein Mittelspannungsschalter ist.
Elektrischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsenergiespeicher (14) bei einer Expansion einen im Wesentlichen konstanten Kraftverlauf aufweist.