DE102020202952A1

DE102020202952A1 - Circuit breaker and method for switching a circuit breaker

Info

Publication number: DE102020202952A1
Application number: DE102020202952.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Knabe; Philipp Last; Marijn Pieter Oomen; Christian Schacherer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Leistungsschalter (21), aufweisend eine Vakuumkammer (8), in der ein erster (3) und ein zweiter elektrischer Kontakt (4) angeordnet sind, die durch eine Kontaktdruckeinrichtung (11,19,20) zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zusammenpressbar sind, und eine Trennvorrichtung (7), die an dem zweiten Kontakt (4) angeordnet und ausgebildet ist, den zweiten (4) von dem ersten Kontakt (3) unter Ausbildung einer elektrisch isolierenden Trennstrecke zu entfernen,dadurch gekennzeichnet, dassdie Kontaktdruckeinrichtung (11,19,20) an dem ersten Kontakt (3) angeordnet ist.Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Schalten eines Leistungsschalters.The subject of the present invention is a circuit breaker (21) having a vacuum chamber (8) in which a first (3) and a second electrical contact (4) are arranged, which by a contact pressure device (11,19,20) to form a electrically conductive connection can be compressed, and a separating device (7) which is arranged on the second contact (4) and designed to remove the second (4) from the first contact (3) while forming an electrically insulating separating distance, characterized in that, that the contact pressure device (11, 19, 20) is arranged on the first contact (3). The invention also relates to a method for switching a circuit breaker.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Schalten eines Leistungsschalters gemäß Anspruch 10.The invention relates to a circuit breaker according to the preamble of claim 1 and a method for switching a circuit breaker according to claim 10.

Vakuum-Leistungsschalter weisen eine Vakuumkammer auf, die fluiddicht von der Umgebung isoliert ist. Vakuumkammern werden auch als Vakuumschaltröhren bezeichnet. Im Inneren der Vakuumkammer liegen Gase nicht mehr oder nur noch bei sehr geringem Gasdruck vor. In der Vakuumkammer liegen zwei elektrische Kontakte an einander an und bilden eine elektrisch sehr gut leitende Verbindung aus, wobei ein fest installierter und gegenüber der Vakuumkammer nicht verschiebbarer Kontakt als Festkontakt bezeichnet wird. Eine andere übliche Bezeichnung für die Kontakte lautet Röhrenkontakte. Der andere Kontakt ist gegenüber der Vakuumkammer bewegbar und wird als beweglicher Kontakt bezeichnet. Der bewegliche Kontakt kann elektromagnetisch oder durch eine Mechanik von dem Festkontakt wegbewegt werden, wobei sich ein Kontaktabstand von typischerweise nur einigen mm ausbildet. Ferner wird der bewegliche Kontakt typischerweise durch eine Kontaktfeder auf den Festkontakt angepresst.Vacuum circuit breakers have a vacuum chamber that is isolated from the environment in a fluid-tight manner. Vacuum chambers are also known as vacuum interrupters. Gases are no longer present in the interior of the vacuum chamber, or only at a very low gas pressure. In the vacuum chamber, two electrical contacts are in contact with one another and form a very good electrically conductive connection, with a permanently installed contact that cannot be moved in relation to the vacuum chamber is referred to as a fixed contact. Another common name for the contacts is tube contacts. The other contact is movable with respect to the vacuum chamber and is referred to as the movable contact. The movable contact can be moved away from the fixed contact electromagnetically or by a mechanism, a contact spacing of typically only a few mm being formed. Furthermore, the movable contact is typically pressed onto the fixed contact by a contact spring.

Aufgrund des Vakuums fehlt es an einem ionisierbaren Medium, wodurch beim Schalten ein Lichtbogen rasch abreißt - insbesondere kurz vor dem Stromnulldurchgang bei einer anliegenden Wechselspannung. Ein rasches Abschalten innerhalb weniger Halbwellen nach dem Öffnen der Kontakte ist ein wesentlicher Grund für eine hohe Lebensdauer und relative Wartungsfreiheit von Vakuum-Leistungsschaltern.Due to the vacuum, there is a lack of an ionizable medium, which means that an arc quickly breaks off when switching - especially shortly before the current crosses zero when there is an alternating voltage. Rapid disconnection within a few half-waves after opening the contacts is an essential reason for a long service life and relatively maintenance-free vacuum circuit-breakers.

Solche Vakuum-Leistungsschalter sind beispielsweise für den Mittelspannungsbereich, z.B. zwischen 7 und 52 kV, aus dem Produktkatalog „SION Vakuum-Leistungsschalter 3AE5 und 3AE1 Mittelspannungsgeräte“, Katalog HG 11.02, Siemens AG 2018, Art.-Nr. EMLP-C10162-00-00DE, bekannt. Auf den Seiten 8 und 9 der Broschüre werden die Bauteile der Leistungsschalter erläutert.Such vacuum circuit-breakers are, for example, for the medium-voltage range, e.g. between 7 and 52 kV, from the product catalog "SION vacuum circuit-breakers 3AE5 and 3AE1 medium-voltage devices", catalog HG 11.02, Siemens AG 2018, item no. EMLP-C10162-00-00DE, known. The circuit breaker components are explained on pages 8 and 9 of the brochure.

In den bisher üblichen Mittelspanungsleistungsschaltern wird der Mechanik bzw. kinematischen Kette zum Auseinanderziehen der Kontakte so viel Energie zugeführt, dass die gewünschten Ein- und Ausschaltgeschwindigkeiten erreicht werden können. Besonders rasche Ein- und Ausschaltgeschwindigkeiten sind für einige Anwendungsfälle wünschenswert, weil hierdurch schnell abgeschaltet werden kann - z.B. bei einem Kurzschluss.In the medium-voltage circuit breakers customary up to now, the mechanics or kinematic chain for pulling the contacts apart is fed so much energy that the desired closing and opening speeds can be achieved. Particularly fast switch-on and switch-off speeds are desirable for some applications because they can be used to switch off quickly - e.g. in the event of a short circuit.

An die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Leistungsschalter anzugeben, der vergleichsweise hohe Ein- und Ausschaltgeschwindigkeiten ermöglicht.The object of the invention is to specify a circuit breaker which enables comparatively high switch-on and switch-off speeds.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Leistungsschalter gemäß Anspruch 1.The invention solves this problem with a circuit breaker according to claim 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass höhere Ein- und/ oder Ausschaltgeschwindigkeiten als bei bisherigen Leistungsschaltern kaum erreichbar sind, weil u.a. die Trägheit einer zu bewegenden Masse mit beweglichem Kontakt und Kontaktfeder überwunden werden muss.The invention is based on the knowledge that higher switch-on and / or switch-off speeds than with previous circuit breakers can hardly be achieved because, among other things, the inertia of a mass to be moved with a moving contact and contact spring has to be overcome.

Einhergehend mit der Reduktion der erreichbaren Geschwindigkeiten wird bei bisherigen Schaltern auch eine Reduktion der Zeitspannen zum Schließen und Öffnen der Röhrenkontakte begrenzt. Bisher war der bewegliche zweite Kontakt (z.B. als Bolzen ausgebildet) - von einem Aktuator bzw. Motor aus betrachtet - der Kontaktdruckeinrichtung nachgelagert. Diese musste sich beim Ausschalten des Schalters erst von Ihrer Länge in der geschlossenen Position des Schalters bis zu Ihrer Vorspannlänge entspannen, bevor der bewegliche zweite Kontakt vom ersten Kontakt getrennt werden konnte. Dieses Entspannen (z.B. einer Kontaktdruckfeder) benötigt eine gewisse Zeitspanne. Diese Zeitspanne ist ein Bestandteil der fürs Ausschalten benötigten Ausschaltzeit. Wird eine möglichst kurze Ausschaltzeit angestrebt, so ist es von Vorteil, die o.g. Zeitspanne für die Entspannung möglichst kurz zu halten oder sogar vollständig zu eliminieren.Along with the reduction in the speeds that can be achieved, with previous switches, a reduction in the time periods for closing and opening the tube contacts is also limited. So far, the movable second contact (e.g. designed as a bolt) - viewed from an actuator or motor - was located downstream of the contact pressure device. When the switch was switched off, this first had to relax from its length in the closed position of the switch to its preload length, before the movable second contact could be separated from the first contact. This relaxation (e.g. of a contact pressure spring) requires a certain period of time. This period of time is part of the switch-off time required for switching off. If the shortest possible switch-off time is desired, it is advantageous to keep the above-mentioned period for relaxation as short as possible or even to eliminate it completely.

Durch das erfindungsgemäße Eliminieren der Massen einer Kontaktfeder bzw. einer Kontaktdruckeinrichtung aus der kinematischen Kette vor dem beweglichen zweiten Kontakt wird die zu bewegende Masse reduziert und damit grundsätzlich die Möglichkeit zu höheren erreichbaren Ein- und/oder Ausschaltgeschwindigkeiten der Röhre geschaffen. In der Praxis ist der Eintrag höherer Energien, die zur Beschleunigung des Systems genutzt werden können, dadurch begrenzt, dass der Hub des beweglichen Kontakts bauartbedingt vorgegeben ist. Ein Eintrag höherer Energien führt damit unweigerlich zu höheren Kräften und Momenten, die an das System angreifen.By eliminating the masses of a contact spring or a contact pressure device from the kinematic chain in front of the movable second contact according to the invention, the mass to be moved is reduced and thus basically creates the possibility of higher achievable switching on and / or off speeds of the tube. In practice, the input of higher energies, which can be used to accelerate the system, is limited by the fact that the stroke of the movable contact is predetermined due to the design. An entry of higher energies inevitably leads to higher forces and moments that attack the system.

Letztendlich führen höhere Kräfte und Momente zu höheren Bauteilbelastungen. Diesen Belastungen muss wiederum mit größeren Abmessungen der Bauteile Rechnung getragen werden. Das erhöht die Massen der Bauteile und führt damit zu einem höheren Energiebedarf. In dieser Gemengelage sich im Sinne der Erreichbarkeit sehr hoher Ein- und/ oder Ausschaltgeschwindigkeiten gegenseitig negativ beeinflussender Faktoren, muss in der Praxis ein vernünftiges Verhältnis aus Energieeintrag und zu bewegenden Massen gefunden werden. Alle Massen, die nicht beschleunigt werden müssen, tragen somit zu höheren erreichbaren Geschwindigkeiten bei.Ultimately, higher forces and moments lead to higher component loads. These loads must in turn be taken into account with larger dimensions of the components. This increases the mass of the components and thus leads to a higher energy requirement. In this mixed situation, in the sense of the accessibility of very high switch-on and / or switch-off speeds, factors that have a negative impact on one another must in practice be found in a reasonable relationship between the energy input and the masses to be moved. All the crowds which do not have to be accelerated thus contribute to higher achievable speeds.

Für das Öffnen des Schalters gilt darüber hinaus, dass durch das Eliminieren der Massen der Kontaktdruckeinrichtung aus der kinematischen Kette vor dem zweiten Kontakt, direkt am zweiten Kontakt gezogen werden kann. Es muss nicht gewartet werden, bis sich die Kontaktdruckdruckeinrichtung entspannt. Die Zeitspanne zum Entspannen der Kontaktdruckeinrichtung entfällt (unter der Annahme, dass sich der erste, vormalige „Festkontakt“ des Schalters viel langsamer bewegt als der zweite Kontakt). Damit wird die Ausschaltzeit hinsichtlich des Einflusses der Zeitspanne fürs Entspannen der Kontaktdruckeinrichtung verkürzt.When opening the switch, it is also true that by eliminating the masses of the contact pressure device from the kinematic chain before the second contact, the second contact can be pulled directly. There is no need to wait until the contact pressure device relaxes. There is no time to relax the contact pressure device (assuming that the first, former “fixed contact” of the switch moves much more slowly than the second contact). This shortens the switch-off time with regard to the influence of the time period for the relaxation of the contact pressure device.

Erfindungsgemäß wird die Kontaktdruckeinrichtung an dem ersten Kontakt angeordnet, der bei bisherigen Schaltern als Festkontakt unbeweglich war und erfindungsgemäß nun ebenfalls beweglich gelagert wird. Die Kontaktdruckeinrichtung ist in der kinematischen Kette somit nicht mehr dem beweglichen zweiten Kontakt vorgelagert.According to the invention, the contact printing device is arranged on the first contact which, in previous switches, was immovable as a fixed contact and, according to the invention, is now also movably supported. The contact pressure device is therefore no longer upstream of the movable second contact in the kinematic chain.

Die Kontaktkraft wird im Gegensatz zu den bisherigen Lösungen nicht über den beweglichen zweiten, sondern über den vormaligen „Festkontakt“ in das System eingeleitet.In contrast to the previous solutions, the contact force is not introduced into the system via the movable second, but via the previous "fixed contact".

Der Leistungsschalter ist beispielsweise für Mittelspannung, insbesondere zw. 7 kV und 52 kV, ausgelegt. Die Vakuumkammer kann zumindest teilweise aus einem nicht-leitenden Werkstoff wie beispielsweise Keramik ausgebildet sein, wobei z.B. eine zylindrische Form eingesetzt wird. Es können zwei elektrisch isolierte und fluiddichte Öffnungen vorgesehen werden, durch die die beiden Kontakte in die Vakuumkammer eingeführt werden. Die Kontakte können jeweils zumindest teilweise aus einem gut leitenden metallischen Werkstoff, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, gebildet sein. Die Kontakte können jeweils eine zylindrische Kontaktfläche aufweisen, die beim Zusammenpressen der Kontakte eine große und elektrisch gut leitende Oberfläche ausbildet.The circuit breaker is designed for medium voltage, in particular between 7 kV and 52 kV, for example. The vacuum chamber can be formed at least in part from a non-conductive material such as ceramic using, for example, a cylindrical shape. Two electrically insulated and fluid-tight openings can be provided through which the two contacts are introduced into the vacuum chamber. The contacts can each be formed at least partially from a highly conductive metallic material, for example copper or aluminum. The contacts can each have a cylindrical contact surface which, when the contacts are pressed together, forms a large and electrically highly conductive surface.

Die Trennvorrichtung weist z.B. eine Federmechanik auf, die z.B. von einem Motor, insbesondere einem elektrischen Motor, angetrieben bzw. aufgezogen wird und ein Wegbewegen des zweiten Kontakts von dem ersten Kontakt ermöglicht. Alternativ kann der zweite Kontakt mittels eines Elektromagneten wegbewegt werden.The separating device has, for example, a spring mechanism which is driven or wound up, for example, by a motor, in particular an electric motor, and enables the second contact to be moved away from the first contact. Alternatively, the second contact can be moved away by means of an electromagnet.

Die Trennstrecke ist typischerweise nur einige mm lang und beabstandet die elektrischen Kontakte voneinander. Die Trennstrecke ist beispielsweise kürzer als 50 mm, bevorzugt kürzer als 25 mm und noch mehr bevorzugt kürzer als 10 mm.The separation distance is typically only a few mm long and the electrical contacts are spaced apart. The separation distance is, for example, shorter than 50 mm, preferably shorter than 25 mm and even more preferably shorter than 10 mm.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters ist der zweite Kontakt in einer Führung relativ zur Vakuumkammer beweglich gelagert. Dies hat den Vorteil, dass die zu bewegende Masse vergleichsweise klein ist. Hierdurch wird die Trenngeschwindigkeit erhöht.In a preferred embodiment of the circuit breaker according to the invention, the second contact is movably supported in a guide relative to the vacuum chamber. This has the advantage that the mass to be moved is comparatively small. This increases the cutting speed.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters ist die Vakuumkammer mit dem ersten Kontakt verschiebefest verbunden. Dies bedeutet, dass die gesamte träge Masse aus erstem Kontakt und Vakuumkammer den Hub der Kontaktdruckeinrichtung mitmacht. Hierdurch eilt der erste Kontakt vergleichsweise langsam dem zweiten Kontakt nach, wenn dieser weggezogen wird. Dies ist ein Vorteil, weil die Trenngeschwindigkeit erhöht wird.In a preferred embodiment of the circuit breaker according to the invention, the vacuum chamber is connected to the first contact in a non-shiftable manner. This means that the entire inertial mass from the first contact and vacuum chamber takes part in the stroke of the contact pressure device. As a result, the first contact follows the second contact comparatively slowly when the latter is pulled away. This is an advantage because the separation speed is increased.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters weist die Kontaktdruckeinrichtung eine Federeinrichtung auf. Dies ist ein Vorteil, weil eine Federeinrichtung kostengünstig und lange erprobt ist, um eine Kontaktkraft auszuüben. Bei typischen Andruckkräften von z.B. 2 kN und einer Gesamtmasse aus erstem Kontakt und Vakuumkammer von 2 kg ist mit einer Anfangsbeschleunigung a der Anordnung in der Größenordnung von $a = F/m = 2 kN/2 kg = 1000 {m/s}^{2}$

zu rechnen. Dies entspricht unter Annahme einer gleichbleibenden Federkraft selbst bei einer beispielhaften, kurzen Schaltzeit von 5 ms einem Weg von

s = \frac{1}{2} * a * t^{2} = 0,5 * 1000 {m/s}^{2} * {(0,005 s)}^{2} = 12,5 mm .

In a further preferred embodiment of the circuit breaker according to the invention, the contact pressure device has a spring device. This is an advantage because a spring device is inexpensive and has been tried and tested for a long time to exert a contact force. With typical pressure forces of, for example, 2 kN and a total mass from the first contact and vacuum chamber of 2 kg, an initial acceleration a of the arrangement is of the order of magnitude of

a = F / m = 2 kN / 2 kg = 1000 {m /s}^{2}

to be expected. Assuming a constant spring force, this corresponds to a path of even with an exemplary short switching time of 5 ms

s = \frac{1}{2} * a * t^{2} = 0.5 * 1000 {m /s}^{2} * {(0.005 s)}^{2} = 12.5 mm .

Diese Bewegung ist entgegen der Öffnungsbewegung gerichtet und muss somit unterbunden werden, um den Kontakt öffnen zu können.This movement is directed against the opening movement and must therefore be prevented in order to be able to open the contact.

Eine Möglichkeit ist die Verzögerung oder Unterdrückung der Beschleunigung des ersten Kontakts bzw. der Vakuumkammer mit einer Dämpfungseinrichtung. Zusätzlich kann die unerwünschte Bewegung der Vakuumröhre unterbunden werden, indem z.B. eine Kontaktdruckfeder mit einer sehr hohen Federkonstante in Verbindung mit einem Anschlag, der eine zu große Bewegung des ersten Kontakts unterbindet, eingesetzt wird.One possibility is to delay or suppress the acceleration of the first contact or the vacuum chamber with a damping device. In addition, the undesired movement of the vacuum tube can be prevented by using, for example, a contact pressure spring with a very high spring constant in conjunction with a stop that prevents excessive movement of the first contact.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters weist die Kontaktdruckeinrichtung eine Dämpfungseinrichtung auf, um ein Entspannen der Federeinrichtung zu verlangsamen. Es kann beispielsweise ein Fluiddämpfer, wie z.B. ein Flüssigkeitsdämpfer eingesetzt werden. Diese Bauform hat den Vorteil, dass durch die Dämpfungseinrichtung beim Trennen der erste Kontakt dem zweiten Kontakt nur langsam hinterhereilt, was einen besonders schnellen Trennvorgang ermöglicht.In a further preferred embodiment of the circuit breaker according to the invention, the contact pressure device has a damping device in order to slow down the relaxation of the spring device. For example, a fluid damper, such as a liquid damper, can be used. This design has the advantage that due to the damping device, the first contact only slowly lags behind the second contact when it is disconnected, which enables a particularly fast disconnection process.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters weist die Federeinrichtung eine Tellerfeder auf. Eine Tellerfeder ist von Vorteil, weil diese bauartbedingt auf kleinem Raum große Vorspannkräfte bereitstellen kann. In einer einfachen Variante können z.B. zwei Teller eingesetzt werden, die als Platten mit vorspringendem Rand ausgebildet sind. Werden die Ränder jeweils aufeinandergelegt und Druck ausgeübt, so ergibt sich eine Verformung der Ränder und die Platten werden enger zusammengepresst.In a further preferred embodiment of the circuit breaker according to the invention, the spring device has a plate spring. A disc spring is advantageous because, due to its design, it can provide large preload forces in a small space. In a simple variant, e.g. two plates can be used, which are designed as plates with a protruding edge. If the edges are placed on top of one another and pressure is exerted, the edges are deformed and the panels are pressed together more closely.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters weist die Federeinrichtung eine Spiralfeder auf. Dies ist ein Vorteil, weil die zu bewegenden Teile innerhalb der Spiralfeder angeordnet werden können, was den benötigten Bauraum verringert.In a further preferred embodiment of the circuit breaker according to the invention, the spring device has a spiral spring. This is an advantage because the parts to be moved can be arranged inside the spiral spring, which reduces the installation space required.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters umgreift die Federeinrichtung den ersten Kontakt. Dies ist ein Vorteil, weil Spiralfeder und beweglicher erster Kontakt kompakt verbaut werden können.In a further preferred embodiment of the circuit breaker according to the invention, the spring device engages around the first contact. This is an advantage because the spiral spring and the movable first contact can be built in compactly.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters ist der Leistungsschalter zum Schalten von Mittelspannung zwischen 7 kV und 52 kV ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil bei diesen Spannungen mit dem Leistungsschalter ein rasches Löschen eines Lichtbogens beim Trennen erreicht werden kann.In a further preferred embodiment of the circuit breaker according to the invention, the circuit breaker is designed for switching medium voltage between 7 kV and 52 kV. This is an advantage because, at these voltages, the circuit breaker can quickly extinguish an arc when it is disconnected.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters ist der Leistungsschalter zum Schalten von Hochspannung über 52 kV ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil der Einsatz von Vakuumschalttechnik auch im Hochspannungsbereich immer interessanter wird, da kein klimaschädliches Schutzgas, wie z.B. Schwefelhexafluorid eingesetzt werden soll.In a further preferred embodiment of the circuit breaker according to the invention, the circuit breaker is designed for switching high voltages above 52 kV. This is an advantage because the use of vacuum switching technology is also becoming more and more interesting in the high-voltage area, as no climate-damaging protective gas, such as sulfur hexafluoride, should be used.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters weist die Trennvorrichtung eine kinematische Kette auf, die eine von einem elektrischen Motor angetriebenen Drehbewegung in eine axiale Bewegung des zweiten Kontakts relativ zum ersten Kontakt übersetzt. Die Bewegungsachse steht dabei senkrecht auf der Kontaktfläche der beiden Kontakte.In a further preferred embodiment of the circuit breaker according to the invention, the isolating device has a kinematic chain which translates a rotary movement driven by an electric motor into an axial movement of the second contact relative to the first contact. The axis of movement is perpendicular to the contact surface of the two contacts.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters weist die Trennvorrichtung einen Isolator auf. Dies ist ein Vorteil, weil so sichergestellt wird, dass kein Kurzschluss über die Trennvorrichtung zur Erde erfolgen kann.In a further preferred embodiment of the circuit breaker according to the invention, the isolating device has an insulator. This is an advantage because it ensures that no short circuit can occur via the isolating device to earth.

An die Erfindung stellt sich ferner die Aufgabe, ein Verfahren zum Schalten eines Leistungsschalters anzugeben, mit dem vergleichsweise hohe Ein- und Ausschaltgeschwindigkeiten ermöglicht werden.Another object of the invention is to specify a method for switching a circuit breaker with which comparatively high switch-on and switch-off speeds are made possible.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 11 bis 15. Es ergeben sich dabei sinngemäß jeweils die gleichen Vorteile wie eingangs für den erfindungsgemäßen Leistungsschalter erläutert.The invention solves this problem by a method according to claim 10. Preferred embodiments emerge from the dependent claims 11 to 15. The same advantages result in each case as explained at the beginning for the circuit breaker according to the invention.

Zum besseren Verständnis der Erfindung zeigen die

1 einen bekannten Leistungsschalter, und
2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters, und
3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters.

For a better understanding of the invention show

1 a known circuit breaker, and
2 a first embodiment of a circuit breaker according to the invention, and
3 a second embodiment of a circuit breaker according to the invention.

Die 1 zeigt einen bekannten Leistungsschalter 1, bei dem ein erster Kontakt 3 als sogenannter Festkontakt ausgeführt ist. Der erste Kontakt 3 ist über einen Haltearm 2 (z.B. eine sogenannte Polarmatur) mechanisch und elektrisch angeschlossen und gegenüber dem Gehäuse der Vakuumkammer 8 unbeweglich. Ein zweiter Kontakt 4 ist beweglich ausgeführt, so dass innerhalb der Vakuumkammer eine Trennstrecke ausgebildet werden kann (nicht gezeigt). Der zweite Kontakt ist über einen Anschluss 5 (z.B. ein sogenanntes Stromband) elektrisch verbunden und über einen elektrischen Isolator 6 mit einer Trenneinrichtung 7 verbunden. Diese weist eine Federeinrichtung als Kontaktdruckeinrichtung auf (nicht gezeigt), die im geschlossenen Zustand die beiden Kontakte 3,4 zusammenpresst.the 1 shows a known circuit breaker 1 where a first contact 3 is designed as a so-called fixed contact. The first contact 3 is about a holding arm 2 (eg a so-called polar fitting) mechanically and electrically connected and opposite the housing of the vacuum chamber 8th immobile. A second contact 4th is designed to be movable, so that a separating distance can be formed within the vacuum chamber (not shown). The second contact is via a connector 5 (e.g. a so-called power strip) electrically connected and via an electrical insulator 6th with a separator 7th tied together. This has a spring device as a contact pressure device (not shown), which in the closed state the two contacts 3 , 4th compresses.

Soll der Schalter nun geöffnet werden, so muss eine vergleichsweise große Masse beschleunigt werden, um den beweglichen zweiten Kontakt 4 von dem ersten Kontakt 3 zu beabstanden. Dies begrenzt die erzielbare Trenngeschwindigkeit.If the switch is now to be opened, a comparatively large mass has to be accelerated in order to move the second contact 4th from the first contact 3 to be spaced. This limits the separation speed that can be achieved.

In der 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters 21 dargestellt. Gleiche Bauteile bzw. Teile vergleichbarer Funktion wie in 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt. Der erste und der zweite Kontakt 3,4 sind stempelartig ausgebildet und stoßen in der fluiddichten, luftleeren Vakuumkammer 8 aneinander. Die Vakuumkammer ist zylinderförmig ausgebildet, und auch die Kontakte 3,4 sind mit einer runden Grundfläche als Kontaktbereich zum jeweils anderen elektrischen Kontakt 3,4 versehen. Am zweiten Kontakt 4 ist eine Trennvorrichtung 7 angeordnet, um den zweiten Kontakt 4 in axialer Richtung vom ersten Kontakt 3 wegzuziehen. Dabei ist die genannte Achse senkrecht auf den Kontaktbereichen der elektrischen Kontakte 3,4 angeordnet. Im dargestellten geschlossenen Zustand des Leitungsschalters 21 drückt die Trennvorrichtung 7 den zweiten Kontakt 4 in Richtung des ersten Kontakts 3.In the 2 is an embodiment of a circuit breaker according to the invention 21 shown. The same components or parts with a comparable function as in 1 are shown with the same reference numerals. The first and the second contact 3 , 4th are designed like a stamp and butt in the fluid-tight, evacuated vacuum chamber 8th to each other. The vacuum chamber is cylindrical, and so are the contacts 3 , 4th are with a round base as a contact area to the other electrical contact 3 , 4th Mistake. On the second contact 4th is a separator 7th arranged to the second contact 4th in the axial direction from the first contact 3 move away. The named axis is perpendicular to the contact areas of the electrical contacts 3 , 4th arranged. In the illustrated closed state of the line switch 21 presses the separator 7th the second contact 4th in the direction of the first contact 3 .

Der erste Kontakt 3 weist eine Kontaktdruckeinrichtung 11,19,20 mit einer Federeinrichtung 11 auf, die in dem Bereich 10 (gestrichelt umrissener Kasten) angeordnet ist. Dabei ist der erste Kontakt 3 als ein Röhrenkontakt ausgebildet und in einer Führung 13 gehalten, die aus einem Gehäuse gebildet wird. Der erste Kontakt 3 ist an den Bauteilen 17,19 verschiebesicher festgelegt. Das Bauteil 19 ist als Federaufnahme für eine Feder 11 mit einem Rand 20 versehen. Eine andere Bauform für das Bauteil 19 könnte mit einer Federaufnahme realisiert werden, die anstatt einer äußeren Federzentrierung mit dem Rand eine innere Federzentrierung, z.B. mittels eines Vorsprungs, vorsieht.The first contact 3 has a contact printing device 11 , 19th , 20th with a spring device 11 on that in the area 10 (dashed box outlined) is arranged. This is the first contact 3 designed as a tube contact and in a guide 13th held, which is formed from a housing. The first contact 3 is on the components 17th , 19th fixed shift-safe. The component 19th is used as a spring mount for a spring 11 with an edge 20th Mistake. Another design for the component 19th could be realized with a spring receptacle which, instead of an external spring centering with the edge, provides an internal spring centering, for example by means of a projection.

Die Federeinrichtung kann beispielhaft als Tellerfeder 11 ausgebildet sein kann. Alternativ kann auch eine Spiralfeder (nicht dargestellt) eingesetzt werden, die jedoch i.d.R. einen größeren Bauraum benötigt.The spring device can, for example, be a plate spring 11 can be formed. Alternatively, a spiral spring (not shown) can also be used, which, however, generally requires a larger installation space.

Die Feder 11 liegt damit bei der gezeigten Bauform in einer scheibenförmigen Ausnehmung der Federaufnahme 19 und hat im dargestellten komprimierten Zustand (Schalter geschlossen) die axiale Ausdehnung 12. Die Feder 11 ist auf der der Federaufnahme 19 gegenüberliegenden Seite am Gehäuse 13 abgestützt. In gespannten Zustand ist ein Federhubweg 16 zwischen Bauteil 17 und einen Gehäuseteil 18 ausgebildet. Der erste Kontakt 3 ist über ein erstes Stromband 14 elektrisch angeschlossen. Der zweite Kontakt 4 ist über ein zweites Stromband 15 elektrisch angeschlossen.The feather 11 is thus in the design shown in a disk-shaped recess of the spring receptacle 19th and in the illustrated compressed state (switch closed) it has the axial extension 12th . The feather 11 is on the one of the spring mount 19th opposite side on the housing 13th supported. A spring stroke is in the tensioned state 16 between component 17th and a housing part 18th educated. The first contact 3 is about a first stream band 14th electrically connected. The second contact 4th is via a second power line 15th electrically connected.

Um den Leistungsschalter 21 zu öffnen wird der zweite Kontakt 4 mittels der Trennvorrichtung 7 weggezogen. Hierdurch entspannt sich die Feder 11, so dass der erste Kontakt 3 dem zweiten Kontakt 4 um die Ausdehnung des Federhubwegs 16 nacheilt, woraufhin sich dieser auf null reduziert. Aufgrund der geringeren zu beschleunigenden Masse des zweiten Kontakts 4, kann eine höhere Trenngeschwindigkeit erreicht werden. Die beiden Kontakte 3,4 werden sofort getrennt, wobei der erste Kontakt 3 dem zweiten Kontakt 4 noch kurz nacheilt.To the circuit breaker 21 the second contact will open 4th by means of the separator 7th pulled away. This relaxes the spring 11 so that the first contact 3 the second contact 4th the extension of the spring travel 16 lags, whereupon this is reduced to zero. Due to the lower mass of the second contact to be accelerated 4th , a higher separation speed can be achieved. The two contacts 3 , 4th are immediately disconnected, with the first contact 3 the second contact 4th still lagging for a short time.

Die 3 zeigt als Prinzip-Skizze eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters, bei dem eine Dämpfungseinrichtung eingesetzt wird, die als Flüssigkeitsdämpfer ausgebildet ist. Diese Bauform ermöglicht es, das Nacheilen des ersten Kontakts 3 zu verlangsamen, wenn der zweite Kontakt 4 weggezogen wird. Dies bedeutet, dass sich vergleichsweise schneller eine ausreichende Trennstrecke zur elektrischen Isolierung ausbilden kann, was die Sicherheit im Energienetz erhöht. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform wird anhand eines Schaltzyklus mit den Schritten 40 bis 45 dargestellt.the 3 shows as a basic sketch a second embodiment of a circuit breaker according to the invention, in which a damping device is used, which is designed as a liquid damper. This design makes it possible to lag behind the first contact 3 to slow down when the second contact 4th is pulled away. This means that a sufficient isolating distance for electrical insulation can develop comparatively more quickly, which increases the safety in the energy network. The operation of this embodiment is based on a switching cycle with the steps 40 until 45 shown.

Ein Aktuator 31 kann beispielsweise als ein Linearmotor oder alternativ als ein Federspeicherantrieb ausgebildet sein. Der Aktuator 31 ermöglicht ein schnelles Öffnen und Schließen des Leistungsschalters. Eine Federeinrichtung 11 ist an einem Aufhängepunkt 60 ortsfest angebracht; sie liefert im zusammengedrückten Zustand eine Kontaktkraft, um den ersten und den zweiten Kontakt 3,4 zusammenzupressen. Die Federeinrichtung 11 ist mit einem ersten Kontaktstück 38 verbunden, das über einen ersten Anschlag 34 verfügt. Das erste Kontaktstück 38 erstreckt sich bis zur Vakuumkammer 8 und ist elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 3 verbunden. Vakuumkammer 8, erster Kontakt 3 und erstes Kontaktstück 38 sind verschiebefest verbunden, aber insgesamt beweglich gelagert. D.h., dass die Vakuumkammer 8 Bewegungen der Federeinrichtung 11 mitmachen muss.An actuator 31 can for example be designed as a linear motor or alternatively as a spring-loaded drive. The actuator 31 enables quick opening and closing of the circuit breaker. A spring device 11 is at a suspension point 60 fixed in place; when compressed, it provides a contact force to the first and second contacts 3 , 4th to squeeze. The spring device 11 is with a first contact piece 38 connected that via a first stop 34 disposes. The first contact piece 38 extends to the vacuum chamber 8th and is electrically conductive to the first contact 3 tied together. Vacuum chamber 8th , first contact 3 and first contact piece 38 are connected in a non-shifting manner, but are movably supported as a whole. Ie that the vacuum chamber 8th Movements of the spring device 11 must participate.

Zur Dämpfung der durch die Federeinrichtung 11 auslösbaren Bewegung der Vakuumkammer 8 ist zwischen der Vakuumkammer 8 und der Federeinrichtung 11 eine Dämpfungseinrichtung 30 vorgesehen, die relativ zum Aufhängepunkt 60 ortsfest angeordnet ist. Die Dämpfungseinrichtung 30 ist als ein Fluiddämpfer 30 ausgebildet, in dessen Innenraum ein Fluid 35 eingefüllt ist. Idealerweise kommt hier ein dilatantes, d.h. scherverzähendes Fluid zum Einsatz, dessen Viskosität nur bei schnellen Scherbewegungen hoch ist und ansonsten niedrig ist.For damping the by the spring device 11 releasable movement of the vacuum chamber 8th is between the vacuum chamber 8th and the spring device 11 a damping device 30th provided relative to the suspension point 60 Is arranged stationary. The damping device 30th is as a fluid damper 30th formed, in the interior of which a fluid 35 is filled. Ideally, a dilatant, ie shear-thickening fluid is used here, the viscosity of which is only high in the case of rapid shear movements and is otherwise low.

Der Dämpfer kann so ausgelegt werden, dass ein Gas, Öl oder Wasser als Fluid einsetzbar sind. Quer zum ersten Kontaktstück 38 ist mit diesem verschiebefest eine Dämpfungsplatte 36 verbunden, die z.B. nur einen schmalen Spalt zur Wandung des Dämpfers 30 frei lässt oder mit kleinen Öffnungen und/oder Kanälen versehen ist. Durch das Strömungsverhalten des Fluids 35 in dem Spalt oder den Öffnungen sind schnelle Bewegungen des ersten Kontaktstücks 38 im Dämpfer 30 nur unter vergleichsweise großem Kraftaufwand möglich.The damper can be designed so that a gas, oil or water can be used as the fluid. Across the first contact piece 38 is a non-shifting damping plate with this 36 connected, for example, only a narrow gap to the wall of the damper 30th leaves free or is provided with small openings and / or channels. Due to the flow behavior of the fluid 35 in the gap or openings there are rapid movements of the first contact piece 38 in the damper 30th only possible with a comparatively large amount of force.

In einer Ausführungsform wird Wasser bei Raumtemperatur, also z.B. bei 25 °C, als Fluid im Flüssigkeitsdämpfer eingesetzt. Dies ist ein Vorteil, weil Wasser kostengünstig und umweltunschädlich ist. Es kann ein Frostschutz zugesetzt sein. Das Fluid fließt nur durch eine kleine Öffnung in der Dämpfungsplatte 36 mit Durchmesser D_Loch und Fläche A_Loch = 1mm² . Der äußere Rand der Vakuumkammer bzw. des Kolbens ist abgedichtet, z.B. per Balg. Die Länge der Öffnung beträgt L_Loch = 10mm. Die Gesamtfläche des Kolbens A_Kolben beträgt 10 000mm² (z.B. Durchmesser 113mm).In one embodiment, water at room temperature, that is to say for example at 25 ° C., is used as the fluid in the liquid damper. This is an advantage because water is inexpensive and harmless to the environment. Frost protection can be added. The fluid only flows through a small opening in the damping plate 36 with diameter D _hole and area A _hole = 1mm ² . The outer edge of the vacuum chamber or the piston is sealed, for example by means of a bellows. The length of the opening is L _hole = 10mm. The total area of the piston A _piston is 10,000mm ² (for example, diameter 113mm).

Es ergibt sich eine typische Kraft auf den Kolben F_Kolben = Kontaktkraft 2kN. Eine typische Druckdifferenz über der Dämpfungsplatte im oben beschriebenen Kolben beträgt P = 2* 10⁵ Pa = 2 bar.The result is a typical force on the piston F _piston = contact force 2kN. A typical pressure difference across the damping plate in the piston described above is P = 2 * 10 ⁵ Pa = 2 bar.

Die Strömung in der Öffnung kann laminar oder turbulent sein. Die Reibung einer turbulenten Strömung ist höher; als „worst case“ wird eine laminare Strömung betrachtet. Aus der Veröffentlichung „Introduction to fluid mechanics‟, John Wiley & Sons, New York, 1985 ist auf Seite 346 Gleichung 8.13c bekannt. Es wird für „laminar, viscous, incompressible, fully developed, steady flow“ ein Volumendurchsatz Q (in m³/s) angegeben: $Q = \frac{π Δ P D_{L o c h}^{4}}{128 μ L_{L o c h}}$

wobei µ = 10^-3 N *s/m² die Viskosität des Wassers ist. Daraus ergibt sich eine maximale Geschwindigkeit des Kolbens V_Kolben (in m/s) :

V_{K o l b e n} = \frac{Q}{A_{K o l b e n}} = \frac{A_{L o c h}^{2}}{A_{K o l b e n}^{2}} * \frac{F_{K o l b e n}}{8 π μ L_{L o c h}} \approx 8 * 10^{6} \frac{A_{L o c h}^{2}}{A_{K o l b e n}^{2}}

The flow in the opening can be laminar or turbulent. The friction of a turbulent flow is higher; a laminar flow is considered as the “worst case”. From the publication Introduction to fluid mechanics, John Wiley & Sons, New York, 1985 is on page 346 Equation 8.13c known. ^{A volume throughput Q (in m 3} / s) is given for "laminar, viscous, incompressible, fully developed, steady flow":

Q = \frac{π Δ P. {D.}_{L. O c H}^{4th}}{128 μ {L.}_{L. O c H}}

where µ = 10 ^-3 N * s / m ^{2 is} the viscosity of the water. This results in a maximum speed of the piston V _piston (in m / s):

V_{K O l b e n} = \frac{Q}{{A.}_{K O l b e n}} = \frac{{A.}_{L. O c H}^{2}}{{A.}_{K O l b e n}^{2}} * \frac{{F.}_{K O l b e n}}{8th π μ {L.}_{L. O c H}} \approx 8th * 10^{6th} \frac{{A.}_{L. O c H}^{2}}{{A.}_{K O l b e n}^{2}}

Mit A_Loch / A_Kolben = 10^-4 (wie oben angenommen) ergibt sich V_Kol-ben = 0,08m/s in Bezug auf den Dämpfer. Das ist deutlich geringer als die Geschwindigkeiten des Kontaktstücks von 2...10m/s, die erforderlich sind für einen Kontakthub von 10mm in einer Zeitspanne von 1ms bis 3ms für den Beschleunigungs- und den Bremsvorgang beim Trennen des Schalters. In dieser kurzen Zeit wird sich der Kolben nur um etwa 0,2 mm bewegen, also das Öffnen und Schließen des Schalters nicht stark beeinflussen. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Öffnung ist in dieser Berechnung etwa 490m/s. Daraus ergibt sich eine Reynolds-Zahl Re = 490 000 >> 2300, d.h. dass eine turbulente Strömung anzunehmen ist. Dann ist die Reibung deutlich höher, die Strömungs- und Kolbengeschwindigkeiten also noch geringer als oben mit laminarer Strömung berechnet. Dieses Beispiel zeigt eindrücklich, dass mittels des vorgeschlagenen Flüssigkeitsdämpfers der gewünschte Effekt erreicht werden kann, beim Trennen den ersten Kontakt 3 nur stark verlangsamt dem zweiten Kontakt 4 nacheilen zu lassen.A _hole with / A _piston 10 = ^-4 (as assumed above) yields V _Col. -ben = 0.08m / s with respect to the damper. This is significantly lower than the speeds of the contact piece of 2 ... 10 m / s, which are required for a contact stroke of 10 mm in a time span of 1 ms to 3 ms for the acceleration and braking process when the switch is disconnected. In this short time, the piston will only move about 0.2 mm, so it will not have a major impact on the opening and closing of the switch. The flow velocity in the opening is about 490 m / s in this calculation. This results in a Reynolds number Re = 490 000 >> 2300, which means that a turbulent flow can be assumed. Then the friction is significantly higher, so the flow and piston speeds are even lower than calculated above with laminar flow. This example clearly shows that the desired effect can be achieved by means of the proposed liquid damper, when the first contact is separated 3 only greatly slowed the second contact 4th to let lag.

Der zweite Kontakt 4 ist relativ zur Vakuumkammer 8 beweglich angeordnet. Er ist über ein zweites Kontaktstück 39, das einen zweiten Anschlag 33 aufweist, mit dem Aktuator 31 verbunden. Ferner ist eine Arretierungseinrichtung 32 vorgesehen, die beispielsweise einen Klemmmechanismus, wie z.B. einen Piezoklemmer aufweist. Dieser hält im geschlossenen Zustand des Leistungsschalters die Kontaktkraft, so dass der Aktuator im Normalbetrieb passiv bzw. ohne dauernde Energieversorgung mit Aufbringen einer Gegenkraft sein kann. Die Arretierungseinrichtung 32 kann derart ausgebildet sein, dass sie im Kurzschlussfall schnell öffnen bzw. die Arretierung des zweiten Kontakts 4 lösen kann.The second contact 4th is relative to the vacuum chamber 8th movably arranged. It is via a second contact piece 39 that is a second stop 33 has, with the actuator 31 tied together. There is also a locking device 32 provided, which has, for example, a clamping mechanism such as a piezo clamp. This maintains the contact force when the circuit breaker is closed, so that the actuator can be passive in normal operation or without a permanent energy supply with the application of a counterforce. The locking device 32 can be designed in such a way that they open quickly in the event of a short circuit or the locking of the second contact 4th can solve.

Die Vakuumkammer 8 weist im Beispiel eine zylindrische Grundform auf, wobei der dem Aktuator zugewandte Teil zumindest teilweise als ein verformbarer Balg (durch gezackte Kontur in der Figur angedeutet) ausgebildet ist. Hierdurch muss keine fluiddichte Durchführung in einer formstabilen Vakuumkammer bereitgestellt werden, um ein Herausziehen des zweiten Kontaktstücks zu ermöglichen. Alternativ kann auch eine formfeste Vakuumkammer mit entsprechender Durchführung eingesetzt werden.The vacuum chamber 8th In the example, it has a cylindrical basic shape, the part facing the actuator being at least partially designed as a deformable bellows (indicated by the serrated contour in the figure). As a result, there is no need to provide a fluid-tight leadthrough in a dimensionally stable vacuum chamber in order to enable the second contact piece to be pulled out. Alternatively, a dimensionally stable vacuum chamber with a corresponding lead-through can also be used.

Die Schritte 40 bis 45 beim Schließen bzw. Öffnen des Leistungsschalters werden im Folgenden näher erläutert:

Schritt 40 stellt einen Dauerzustand dar, bei dem die beiden Kontakte 3,4 in der Vakuumkammer 8 getrennt sind. Der Aktuator 31 muss aktiv die Vakuumkraft (durch Luftdruck von außen auf dem Balg) halten. Die Federeinrichtung 11 ist teils zusammengedrückt und somit z.B. auf 1,8 kN Druckkraft vorgespannt. Diese Kraft drückt über das erste Kontaktstück 38 und den ersten Anschlag 34 auf die Außenseite des Flüssigkeitsdämpfers 30.

The steps 40 until 45 when closing or opening the circuit breaker are explained in more detail below:

step 40 represents a permanent state in which the two contacts 3 , 4th in the vacuum chamber 8th are separated. The actuator 31 must actively maintain the vacuum force (through external air pressure on the bellows). The spring device 11 is partially compressed and thus pretensioned to a pressure force of 1.8 kN, for example. This force pushes over the first contact piece 38 and the first stop 34 on the outside of the liquid damper 30th .

Im Schritt 41 ist ein Schließen des Schalters durch den Aktuator 31 (und die Vakuumkraft bzw. den Unterdruck) dargestellt. Beispielsweise kann das System für eine Schließzeit von höchstens 15 ms ausgelegt sein; entsprechend muss die Gesamtkraft des Aktuators 31 und die Beschaffenheit der Vakuumkammer ausgebildet werden.In step 41 is a closing of the switch by the actuator 31 (and the vacuum force or the negative pressure). For example, the system can be designed for a closing time of at most 15 ms; accordingly the total force of the actuator must 31 and the nature of the vacuum chamber can be established.

Die Gesamtkraft soll ausreichen zum Beschleunigen und Bremsen, für eine Schließzeit von z.B. 15ms. Wird beim Schließen ein weiterhin bestehender Kurzschluss detektiert, so kann in einer Weiterbildung dieser Ausführungsform der Aktuator 31 sofort die Kraftrichtung umkehren. Es wird der Zustand gemäß Schritt 40 wieder erreicht.The total force should be sufficient to accelerate and brake, for a closing time of 15 ms, for example. If a short circuit that continues to exist is detected when closing, the actuator can, in a further development of this embodiment 31 immediately reverse the direction of force. It becomes the state according to step 40 reached again.

Der zweite Anschlag 33 ist nun Nahe der Arretierungseinrichtung 32 angeordnet, wobei jedoch die Feder 11 noch nicht weiter gespannt ist. Es besteht weiterhin wie in Schritt 1 ein Abstand 52 zwischen Achse 51 und dem ersten Kontakt 3 bzw. dem Ende der Vakuumkammer 8.The second attack 33 is now near the locking device 32 arranged, however, the spring 11 is not yet excited. It still exists as in step 1 a distance 52 between axis 51 and the first contact 3 or the end of the vacuum chamber 8th .

In Schritt 42 bewegt der Aktuator 31 den zweiten Kontakt 4 weiter und spannt die Federeinrichtung 11 auf die erforderliche Kontaktkraft von z.B. 2kN Druckkraft. Dies geht wegen der Dämpfung im Flüssigkeitsdämpfer 30 nur langsam vonstatten (im Bereich einiger Sekunden / Minuten). Der Abstand 52 zwischen Achse 51 und dem ersten Kontakt 3 bzw. dem Ende der Vakuumkammer 8 wurde auf null reduziert, wodurch gleichzeitig ein gleich großer Abstand 53 zwischen der Achse 50 und der Dämpfungsplatte 36 ausgebildet wird. Entsprechend bildet sich ein gleich großer Abstand 54 zwischen dem Dämpfer 30 und dem ersten Anschlag 34 aus.In step 42 moves the actuator 31 the second contact 4th further and tension the spring device 11 to the required contact force of e.g. 2kN Compressive force. This is because of the damping in the liquid damper 30th proceed slowly (in the range of a few seconds / minutes). The distance 52 between axis 51 and the first contact 3 or the end of the vacuum chamber 8th has been reduced to zero, which means that the distance is the same 53 between the axis 50 and the damping plate 36 is trained. Accordingly, an equally large distance is formed 54 between the damper 30th and the first attack 34 the end.

Dieser verzögerte Kraftaufbau beim Einschalten ermöglicht keinen Betrieb des Leistungsschalters nach bisher üblicher Art. Der beschriebene Operationsmodus kann damit für bestimmte Anwendungen, wie z.B. beim Zuschalten auf einen Kurzschluss, nachteilig sein.This delayed build-up of force when switching on does not enable the circuit breaker to be operated in the usual manner. The operating mode described can therefore be disadvantageous for certain applications, such as when connecting to a short circuit.

Ggf. kann in einer Variante eine Dämpfung der Bewegung des ersten Kontakts 3 nur in eine Richtung (unidirektionaler Dämpfer) ermöglicht werden, um das Trennen /Öffnen des Schalters sicherer und schneller zu machen.If necessary, in a variant, the movement of the first contact can be damped 3 in one direction only (unidirectional damper) to make disconnecting / opening the switch safer and faster.

Nach Erreichen der Endposition wird im Schritt 43 die Arretierungseinrichtung 32 geschlossen und der Aktuator 31 ausgeschaltet. Es ist ein für lange Zeit haltbarer Ruhezustand erreicht. Der Schalter ist geschlossen; die Feder 11 liefert über den Dämpfer 30 die Kontaktkraft und diese wird von der Arretierungseinrichtung 32 gehalten. Die Arretierungseinrichtung 32 weist hierfür einen Vorsprung auf, der (von der Vakuumkammer 8 aus betrachtet) hinter den zweiten Anschlag 33 geklemmt ist und diesen festlegt. Der Aktuator 31 ist passiv bzw. kraftlos geschaltet.After reaching the end position, the step 43 the locking device 32 closed and the actuator 31 switched off. A state of rest that can last for a long time has been reached. The switch is closed; the feather 11 delivers through the damper 30th the contact force and this is controlled by the locking device 32 held. The locking device 32 has a projection for this purpose, which (from the vacuum chamber 8th viewed from) behind the second stop 33 is clamped and defines this. The actuator 31 is switched to passive or powerless.

Im Schritt 44 wird der Leistungsschalter geöffnet, z.B. bei einem festgestellten Kurzschluss. Die Arretierungseinrichtung 32 zieht sich schnell zurück, z.B. elektromechanisch, und gibt den zweiten Anschlag 33 frei. Gleichzeitig zieht der Aktuator schnell, bevorzugt in höchstens 3 ms, noch mehr bevorzugt in höchstens 1 ms das zweite Kontaktstück 39 mit dem zweiten Kontakt 4 weg. Jetzt werden hohe Kräfte zum Beschleunigen und Bremsen gebraucht, die die Dimensionierung des Aktuators 31 bestimmen.In step 44 the circuit breaker is opened, e.g. if a short circuit is detected. The locking device 32 withdraws quickly, e.g. electromechanically, and gives the second stop 33 free. At the same time, the actuator pulls the second contact piece quickly, preferably in a maximum of 3 ms, even more preferably in a maximum of 1 ms 39 with the second contact 4th path. Now high forces are needed to accelerate and brake, which is the dimensioning of the actuator 31 determine.

Das Gewicht des Kontaktstücks 39 in Verbindung mit dem zweiten Kontakt 4 sind in der dargestellten vertikalen Orientierung bei der anfänglichen Beschleunigung von Vorteil, auch wenn die Auswirkungen der Schwerkraft im Vergleich zu den durch den Aktuator 31 anliegenden Kräften gering ist. Die Vakuumkraft des Luftdrucks auf dem Balg wirkt der Öffnung entgegen. Alternativ kann die Anordnung auch in anderer vertikaler Orientierung, also mit dem Aktuator 31 und dem zweiten Kontakt 4 nach oben hin orientiert, realisiert werden. Dann ist es ein Vorteil, dass durch die Massen des Kontaktstücks 39 und des zweiten Kontakts 4 die Bewegung abgebremst wird und kein Teil mit hoher The weight of the contact piece 39 in connection with the second contact 4th are beneficial in the initial acceleration in the vertical orientation shown, even if the effects of gravity are compared to those caused by the actuator 31 applied forces is low. The vacuum force of the air pressure on the bellows counteracts the opening. Alternatively, the arrangement can also be in a different vertical orientation, that is to say with the actuator 31 and the second contact 4th oriented upwards, to be realized. Then it is an advantage that through the masses of the contact piece 39 and the second contact 4th the movement is decelerated and no part with high

Geschwindigkeit aufschlägt. Der Effekt der Orientierung der Anordnung ist insgesamt betrachtet jedoch eher nachrangig, da z.B. die Masse des zweiten Kontaktstücks z.B. lediglich 3 kg beträgt.Speed hits. Overall, however, the effect of the orientation of the arrangement is of secondary importance, since the mass of the second contact piece, for example, is only 3 kg.

Der erste Kontakt 3 und das erste Kontaktstück 38 sowie die Vakuumkammer 8 bewegen sich noch nicht merklich wegen einer starken Dämpfung der Bewegung im Flüssigkeitsdämpfer. Die Federeinrichtung 11 kann nur langsam entspannt werden, woraufhin der erste Kontakt 3 dem zweiten Kontakt 4 nacheilt.The first contact 3 and the first contact piece 38 as well as the vacuum chamber 8th do not move noticeably because of a strong damping of the movement in the liquid damper. The spring device 11 can only be relaxed slowly, whereupon the first contact 3 the second contact 4th lags behind.

Im Schritt 45 ist der Endzustand des geöffneten Leistungsschalters nach einer relativ langen Zeit im Bereich einiger Sekunden bis Minuten erreicht; der Zustand entspricht dem Anfangszustand gemäß Schritt 40. Der Abstand 52 zwischen Achse 51 und dem ersten Kontakt 3 bzw. dem Ende der Vakuumkammer 8 wurde erneut ausgebildet, wodurch gleichzeitig der Abstand 53 zwischen der Achse 50 und der Dämpfungsplatte 36 auf null verringert wird. Entsprechend wurde der Abstand 54 zwischen dem Dämpfer 30 und dem ersten Anschlag 34 auf null verringert.In step 45 the final state of the open circuit breaker is reached after a relatively long time in the range of a few seconds to minutes; the state corresponds to the initial state according to step 40 . The distance 52 between axis 51 and the first contact 3 or the end of the vacuum chamber 8th was redesigned, thereby reducing the gap 53 between the axis 50 and the damping plate 36 is reduced to zero. The distance was accordingly 54 between the damper 30th and the first attack 34 reduced to zero.

Bevorzugt beträgt die Dauer bis zum Erreichen des Endzustands mindestens 5 min, mehr bevorzugt mindestens 2 min, noch mehr bevorzugt mindestens 1 min und am Meisten bevorzugt mindestens 30 s. Im Endzustand hat sich die Dämpfungsplatte 36 im Flüssigkeitsdämpfer 30 bewegt und die Federeinrichtung hat sich auf z.B. 1,8 kN entspannt.The time taken to reach the final state is preferably at least 5 minutes, more preferably at least 2 minutes, even more preferably at least 1 minute and most preferably at least 30 seconds 36 in the liquid damper 30th moved and the spring device has relaxed to 1.8 kN, for example.

Dem Fachmann ist dabei klar, dass viele andere Anordnungen und Kombinationen der beschriebenen Varianten geeignet sind, den erfindungsgemäßen Gedanken umzusetzen. Viele andere Anordnungen von Feder 11, Aktuator 31 und Dämpfer 30 sind möglich. Die Anordnung gemäß 3 minimiert jedoch die Masse der Teile, die beim Öffnen beschleunigt werden müssen. Dies sind nur das zweite Kontaktstück 39, der zweite Kontakt 4 sowie der Aktivteil des Aktuators 31 selbst.It is clear to the person skilled in the art that many other arrangements and combinations of the variants described are suitable for implementing the inventive concept. Many other arrangements of spring 11 , Actuator 31 and damper 30th are possible. The arrangement according to 3 however, it minimizes the mass of the parts that need to be accelerated when opening. These are only the second contact piece 39 , the second contact 4th as well as the active part of the actuator 31 self.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

"Introduction to fluid mechanics", John Wiley & Sons, New York, 1985 is on page 346 [0047]

Claims

Circuit breaker (21) having a vacuum chamber (8) in which a first (3) and a second electrical contact (4) are arranged, which can be pressed together by a contact pressure device (11, 19, 20) to form an electrically conductive connection, and a separating device (7) which is arranged on the second contact (4) and designed to remove the second (4) from the first contact (3) while forming an electrically insulating separating distance, characterized in that the contact pressure device (11, 19, 20) is arranged on the first contact (3).

Circuit breaker (21) Claim 1 , characterized in that the second contact (4) is movably mounted in a guide relative to the vacuum chamber (8).

Circuit breaker (21) Claim 1 or 2 , characterized in that the contact pressure device (11, 19, 20) has a spring device (11).

Circuit breaker (21) Claim 3 , characterized in that the contact pressure device (11, 19, 20) has a damping device (30) in order to slow down the relaxation of the spring device (11).

Circuit breaker (21) Claim 3 or 4th , characterized in that the spring device has a plate spring (11).

Circuit breaker (21) according to one of the Claims 3 until 5 , characterized in that the spring device (11) engages around the first contact (3).

Circuit breaker (21) according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit breaker (21) is designed for switching medium voltage between 7 kV and 52 kV.

Circuit breaker (21) according to one of the preceding claims, characterized in that the separating device (7) has a kinematic chain which translates a rotary movement driven by an electric motor into an axial movement of the second contact (4) relative to the first contact (3) .

Circuit breaker (21) according to one of the preceding claims, characterized in that the separating device (7) has an insulator.

Method for switching a circuit breaker (21), in which a first (3) and a second electrical contact (4) are arranged in a vacuum chamber (8), which are actuated by a contact pressure device (11, 19, 20) to form an electrically conductive connection are pressed together, and then by means of a separating device (7) which is arranged on the second contact (4), the second (4) is removed from the first contact (3) to form an electrically insulating separation distance, the contact pressure device (11, 19, 20) is arranged on the first contact (3).

Procedure according to Claim 10 , characterized in that a contact (4) mounted movably in a guide relative to the vacuum chamber (8) is used as the second contact (4).

Procedure according to Claim 10 or 11 , characterized in that a spring device (11) is used for the contact pressure device (11, 19, 20).

Method according to one of the Claims 10 until 12th , characterized in that a damping device (30) is used for the contact pressure device (11, 19, 20) in order to slow down the relaxation of the spring device (11).

Procedure according to Claim 12 or 13th , characterized in that a plate spring (11) is used for the spring device.

Procedure according to Claim 13 , characterized in that a spring device (11) is used which engages around the first contact (3).