DE102021208400A1

DE102021208400A1 - Vakuumschaltanordnung und Verfahren zum Trennen verschweißter Kontakte einer Vakuumschaltanordnung

Info

Publication number: DE102021208400A1
Application number: DE102021208400.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lecheler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2023-02-09

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vakuumschaltanordnung (1), aufweisendeine Antriebseinrichtung (2,51), die ausgebildet ist, eine Einschaltbewegung oder eine Ausschaltbewegung in eine Übertragungsmechanik (3-5,50,52-60) einzukoppeln, wobei die Übertragungsmechanik (3-5,50,52-60) ausgebildet ist,die Einschaltbewegung in eine Bewegung eines beweglichen Kontakts (61,62) hin zu einem Festkontakt (63,64) und eine Anpresskraft sowiedie Ausschaltbewegung in eine Trennkraft und eine Bewegung des beweglichen Kontakts (61,62) weg vom Festkontakt (63,64) zu übersetzen, dadurch gekennzeichnet, dasseine Ansteuerungseinrichtung ausgebildet ist, einen mit dem Festkontakt (63) verschweißten beweglichen Kontakt (62) zu trennen, indemmittels der Antriebseinrichtung (2,51) zuerst die Einschaltbewegung eingekoppelt wird undnach einer vorher festgelegten Zeitspanne (tx) die Ausschaltbewegung eingekoppelt wird, wobeidie Zeitspanne (tx) derart auf eine Eigenperiodendauer (TE) einer mechanischen Schwingung (24) der Vakuumschaltanordnung (1) abgestimmt ist, dass mittels in der Übertragungsmechanik (3-5,50,52-60) gespeicherter mechanischer Energie die Trennkraft erhöht wird.Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Trennen verschweißter Kontakte einer Vakuumschaltanordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumschaltanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Trennen verschweißter Kontakte einer Vakuumschaltanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Aus der Betriebsanleitung „3TM Vakuum-Schütz 7,2 kV - 15 kV, 3-polig, 4,15 kV - 6,9 kV, 1-polig“, Bestell-Nr.: 9229 0106 100 0, Siemens AG 2020, ist ein Schaltgerät für Mittelspannung bekannt, das eine Vakuumschalteinrichtung mit einem elektro-magnetischen Antrieb aufweist. Der Magnetantrieb kann dabei eine Magnetkraft auf eine sogenannte Ankerplatte ausüben und diese Anziehen. Die Bewegung der Ankerplatte wird mechanisch in eine Bewegung zum Anpressen eines beweglichen Kontakts an einen Festkontakt innerhalb der Vakuumschalteinrichtung übersetzt. Bei diesem Gerät werden wie bei Magnetantrieben von Schaltern und Schützen häufig zwei Magnetspulen verwendet, die abhängig von der Höhe der Eingangsspannung entweder parallel (z. B. für AC/DC in Ländern mit 115 V Netzspannung) oder seriell (z. B. für AC/DC in Ländern mit 230 V Netzspannung) verschaltet werden müssen.
Aus der Bedienungsanleitung „Instruction Manual, Type 3AH35-MA vacuum circuit breaker magnetic-actuator operator module“, Artikel-Nr. E50001-F710-K378-V6-4A00", Siemens AG 2016, ist eine weitere Vakuumschalteinrichtung bekannt.
Während des Öffnungsvorganges der Kontakte einer Vakuumschalteinrichtung zur Stromunterbrechung entsteht ein Lichtbogen zwischen den Kontaktflächen. In Mittelspannungsschaltern mit Vakuumschalteinrichtung kann es vorkommen, dass die Kontakte innerhalb der Vakuumschalteinrichtung durch bei vorherigen Schaltvorgängen aufgetretene Lichtbögen verschweißt sind und sich bei einer Ausschaltung des Schalters nicht öffnen lassen.
Je nach Anwendungsfall und aktueller Situation im Energieverteilungsnetz werden bisher mit Wartezeiten von einigen Sekunden ein oder mehrere erneute Schaltversuche durchgeführt, um die verschweißten Schaltkontakte durch wiederholte Zugkräfte öffnen können. Dies gelingt jedoch nicht immer zuverlässig.
Außerdem gibt es Situationen im Betrieb eines Energieversorgungsnetzes, in denen die Öffnung schneller erfolgen muss, um z.B. einen Fehler im Energieverteilungsnetz (z.B. Kurzschluss) abzuschalten. Nur durch schnelles Abschalten können Folgefehler und Schäden an Betriebsmitteln vermindert werden. In diesem Fall muss der in Energieflussrichtung davor liegende Leistungsschalter geöffnet werden, um den Energiefluss zu unterbrechen. Dadurch entfällt die Energieversorgung für einen größeren Anteil des Energieverteilungsnetzes, als wenn nur der betroffene Abzweig abgeschaltet wird. Dies bedeutet eine verringerte Verfügbarkeit des Energieversorgungsnetzes und höhere Kosten für den Netzbetreiber.
Ausgehend von bekannten Vakuumschaltanordnungen stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, eine Vakuumschaltanordnung anzugeben, mit der einfach, schnell und zuverlässig Netzabschaltungen aufgrund von Fehlschaltungen vermieden werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vakuumschaltanordnung gemäß Anspruch 1.
Das hier beschriebene Verfahren nutzt die Elastizitäten und Lagerspiele in der kinematischen Kette zwischen Antriebseinrichtung und Schaltkontakten, um kurzzeitig eine Krafterhöhung in Zugrichtung an den Schaltkontakten der Vakuumschaltanordnung zu erreichen, um dadurch die verschweißten Kontakte aufzureißen. Sind die Kontakte verschweißt und lassen sich mit einem einfachen „OPEN“-Kommando (löst eine Ausschaltbewegung aus) nicht öffnen, wird ein „CLOSE“-Kommando (löst eine Einschaltbewegung aus) umgesetzt, um Druck auf die verschweißten Kontakte und die gesamte kinematische Kette auszuüben. Durch die Elastizität und Lagerspiele in der kinematischen Kette sowie der Elastizität im gesamten Schalteraufbau erfolgt eine Energiespeicherung. Zeitlich abgestimmt auf die Eigenfrequenz der kinematischen Kette wird nach diesem „CLOSE“ ein erneutes „OPEN“ initiiert, das mit der in „OPEN-Richtung“ stattfindenden Zugkraft aus der Elastizität der kinematischen Kette zusammenfallen soll, um auf diese Art eine Kraftüberhöhung beim Trennen der Kontakte zu erreichen. Es kann z.B. beim Schwingungsmaximum in der Richtung, die der bewegliche Kontakt beim Wegziehen vom Festkontakt nimmt, die erneute Öffnung („OPEN“) ausgelöst werden, um die Trennkraft zusätzlich zu erhöhen.
Eine Vakuumschaltanordnung im Sinne der Erfindung weist z.B. ein fluiddichtes Gehäuse auf, in dessen Inneren ein Vakuum herrscht (bzw. ein extrem niedriger Gasdruck unter 10^-3 mbar, bevorzugt unter 10^-6 mbar). Wird ein beweglicher Kontakt von einem Festkontakt z.B. mittels einer Federkraft schnell weggezogen, so wird ein entstehender Lichtbogen rasch gelöscht, u.A. weil kaum ionisierbares Medium für einen Stromfluss vorliegt. Vakuumschalteinrichtungen sind besonders gut zum Schalten von Wechselstrom geeignet, weil beim Nulldurchgang der Spannung ein Lichtbogen stets abreißt.
Das Gehäuse weist beispielsweise einen metallischen Deckel und eine metallischen Boden auf, die mit einem zylindermantelförmig ausgebildeten Keramik-Isolierkörper (z.B. aus Aluminiumoxid) verbunden sind. Das Innere des Gehäuses ist evakuiert. Der bewegliche Kontakt ist beispielsweise mit einem Faltenbalg verbunden und in einem Führungslager gleitverschiebar gelagert, so dass im Gehäuse ein Vakuum aufrechterhalten werden kann.
Ein Faltenbalg ist ein wellenförmig nach Art einer Ziehharmonika aufgeworfenes Bauteil, das mit geringem mechanischen Widerstand zusammenpressbar und wieder entspannbar und gleichzeitig fluiddicht und lange haltbar ist. Ein Faltenbalg wird z.B. aus einem dünnen Blech gefertigt.
Eine Antriebseinrichtung kann beispielsweise eine vorgespannte mechanische Feder oder einen elektromagnetischen Antrieb aufweisen, um im Falle eines eintreffenden Schaltbefehls die Kontakte innerhalb von wenigen ms zu trennen. Die Trennstrecke ist z.B. zwischen 5 mm und 50 mm lang und auf die Nennspannung, für die die Vakuumschaltanordnung vorgesehen ist, abgestimmt. Eine Einschaltbewegung ist z.B. eine lineare Schubbewegung, die zum Einschalten, d.h. zum Zusammenführen und Zusammenpressen der Kontakte dient. Eine Ausschaltbewegung ist z.B. eine lineare Zugbewegung, die zum Ausschalten, d.h. zum Trennen und Auseinanderziehen der Kontakte dient.
Ein elektromagnetischer Antrieb ist eine bei z.B. Mittelspannungsanlagen übliche Bauweise für Schalteinrichtungen, bei der durch eine oder mehrere Spulen unter Spannung ein Magnetfeld erzeugt wird, dass ein anderes ferromagnetisches Metallstück, eine z.B. Ankerplatte genannte Metallplatte, anzieht. Diese Anziehung bewirkt eine Bewegung, die auf den beweglichen Kontakt in der Schalteinrichtung übertragen wird und diesen auf den Festkontakt presst. Typischerweise werden zwei Spulen eingesetzt, die parallel oder seriell schaltbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die Magnetkraft annäherungsweise gleich gehalten werden kann, selbst wenn die Eingangsspannung durch unterschiedliche Nennspannungen der Stromversorgung in unterschiedlichen Ländern oder Anwendungsfällen für die Spulen unterschiedlich ausfällt. Der Magnetantrieb weist steuerbare Schalteinrichtungen für die Spulen auf. Beim Einschalten der Spulen wird eine Federeinrichtung mechanisch vorgespannt und stellt beim Ausschalten der Spulen eine Trennkraft für eine Bewegung des beweglichen Kontakts vom Festkontakt weg bereit.
Eine Übertragungsmechanik weist beispielsweise mehrere mechanische Bauteile zur Übertragung mechanischer Kräfte bzw. Bewegungen auf, die eine kinematische Kette von der Antriebseinrichtung bis zum beweglichen Kontakt ausbilden. Je nach geometrischer Ausgestaltung der Vakuumschaltanordnung kann beispielsweise eine oder mehrere Stangen und ein oder mehrere drehbar an einem Lager angebrachte Hebel (z.B. Kniehebel) vorgesehen sein. Diese kinematische Kette ist bauartbedingt nicht völlig starr, sondern weist eine geringe Elastizität auf. Hinzu kommen Lagerspiele der drehbar gelagerten Hebel.
Bei einem Trennversuch überlagert sich daher eine Zugkraft, die im Rahmen der Ausschaltbewegung von der Antriebseinrichtung bereitgestellt wird, mit einer Zugkraft aus der Elastizität und den Lagerspielen der kinematischen Kette sowie aus der Elastizität im gesamten Aufbau der Vakuumschaltanordnung, um verschweißte Kontakte aufzureißen. Dies erhöht die Trennkraft.
Hinzu kommt außerdem, dass bei einer Schwingung der Vakuumschalteinrichtung die einzelnen Baugruppen unterschiedlich stark auslenkbar sind. z.B. kann eine sogenannte Polgruppe (für jede Phase vorhanden), bestehend aus einer Vakuumschalteinrichtung, die mit mehreren Isolatoren von einem Antriebsgehäuse für die Antriebseinrichtung beabstandet ist, relativ zum vergleichsweise steifen und starr befestigten Antriebsgehäuse weiter ausgelenkt werden. Es kommt mit anderen Worten durch den Kraftstoß beim Einschalten zu einer Verwindung der Komponenten der Vakuumschaltanordnung zueinander, wobei diese Verwindung ebenfalls mechanische Energie speichert. Bei einer Schwingung stellt auch diese gespeicherte Energie der Polgruppe relativ zum Antriebsgehäuse zusätzlich eine Zugkrafterhöhung für das Auseinanderreißen der verschweißten Kontakte bereit.
Eine Ansteuerungseinrichtung weist beispielsweise Datenverarbeitungsmittel wie einen Prozessor oder ein FPGA sowie Datenspeichermittel auf. Sie kann Steuerfehle analog oder digital bereitstellen und an die Antriebseinrichtung senden, beispielsweise per Datenkabel.
Beim Einkoppeln der Einschaltbewegung wird über die Übertragungsmechanik, insbesondere wenn die Kontakte aneinanderstoßen und angepresst werden, ein axialer Kraftstoß auf den Festkontakt übertragen. Entsprechend wird das Gehäuse der Vakuumschaltanordnung mit dem Festkontakt in Stoßrichtung ausgelenkt, je nach Befestigung des Gehäuses mehr oder weniger linear. Bei einseitiger Befestigung des Gehäuses der Kontakte, z.B. auf einem Antriebsgehäuse, kann auch eine bogenförmige Auslenkung stattfinden. Nach Erreichen einer maximalen Auslenkung kann das Gehäuse zurückschwingen und den vormaligen Ruhepunkt vor dem Kraftstoß beim Schließen in entgegengesetzter Richtung überqueren, bis auch dieses Zurückschwingen einen Punkt maximaler Auslenkung erreicht und sich umkehrt. Es handelt sich um eine mechanische Schwingung, die z.B. durch Reibungseffekte gedämpft ist und sich in ihrer maximalen Auslenkung daher stetig verringert.
In einer einfachen Näherung kann die vorgenannte Schwingung jedoch als eine ungedämpfte Sinusschwingung betrachtet werden, die mit einer Eigenfrequenz f = 1/ T_E und einer Eigenperiodendauer T_E eine volle Schwingung ausführt. Entsprechend ergibt sich nach einer 3/4 Eigenperiodendauer T_E der Zeitpunkt maximaler Auslenkung in der dem Kraftstoß entgegengesetzten Richtung.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass verschweißte Kontakte geöffnet werden können, ohne dass die Antriebseinrichtung und/oder die Übertragungsmechanik auf höhere Zugkräfte bzw. Trennkräfte ausgelegt werden müssen. Außerdem können die beiden Schaltkontakte für die zugesicherte Ausschaltleitung der Vakuumschaltanordnung vergleichsweise klein dimensioniert werden. Dies spart Material, Gewicht und Transportkosten ein.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schaltkommandos für „CLOSE“ (Einschaltbewegung) und „OPEN“ (Ausschaltbewegung) nach einem vergeblichen „OPEN“ auf Grund von verschweißten Kontakten sehr schnell hintereinander erfolgen. Dadurch erfolgt die Trennung durch die hier beschriebene Methode so schnell, dass der übergeordnete Leistungsschalter noch nicht abgeschaltet werden muss. Dadurch bleibt der Energieausfall auf den betroffenen Abzweig des Energieverteilungsnetzes beschränkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist ein Einstellungsmittel für die Eigenperiodendauer vorgesehen. Das Einstellungsmittel kann beispielsweise ein entlang einer Achse verschiebbares Gewicht aufweisen, das in einer Position entlang der Achse festlegbar ist. Das Einstellungsmittel beeinflusst folglich die mechanische Schwingung beim Schalten. Diese Einstellmöglichkeiten für die Resonanzfrequenz des Schaltgerätes ermöglichen, den erfindungsmäßen Effekt zur Zugkrafterhöhung genauer einzustellen und noch besser zu nutzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Vakuumschaltanordnung für Niederspannung ausgebildet. Niederspannung ist im Sinne der Erfindung durch eine elektrische Spannung unter 1 kV gekennzeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Vakuumschaltanordnung für Mittelspannung ausgebildet. Mittelspannung ist im Sinne der Erfindung durch eine elektrische Spannung zwischen 1 kV und 52 kV gekennzeichnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Vakuumschaltanordnung für Hochspannung ausgebildet. Hochspannung ist im Sinne der Erfindung durch eine elektrische Spannung über 52 kV gekennzeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Ansteuerungseinrichtung ausgebildet, als Zeitspanne 65 % bis 85 % der Eigenperiodendauer festzulegen. Besonders bevorzugt sind 70 % bis 80 % der Eigenperiodendauer. Noch mehr bevorzugt beträgt die Zeitspanne 75 % der Eigenperiodendauer, weil dann bei einer idealen mechanischen Schwingung der Punkt maximaler Auslenkung in Zugrichtung zum Trennen der Kontakte erreicht wird.
In einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform ist die Ansteuerungseinrichtung ausgebildet, als Zeitspanne 65 % bis 85 % eines ganzzahligen Vielfachen der Eigenperiodendauer festzulegen. Besonders bevorzugt sind 70 % bis 80 % eines ganzzahligen Vielfachen der Eigenperiodendauer. Noch mehr bevorzugt beträgt die Zeitspanne 75 % eines ganzzahligen Vielfachen Eigenperiodendauer, weil dann bei einer idealen mechanischen Schwingung jeweils der Punkt maximaler Auslenkung in Zugrichtung zum Trennen der Kontakte erreicht wird. Beispielsweise kann also eine komplette Schwingung abgewartet und dann bei der zweiten Schwingung bei 165 % bis 185 % der Eigenperiodendauer geschaltet werden, falls z.B. die Antriebseinrichtung nicht schnell genug innerhalb der ersten Schwingung bzw. Eigenperiodendauer die Ausschaltbewegung einkoppeln kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist eine erste Fehlererkennungseinrichtung ausgebildet, den mit dem Festkontakt verschweißten beweglichen Kontakt anhand eines trotz mittels der Ansteuerungseinrichtung ausgelöster Ausschaltung weiterhin über die Kontakte fließenden Stromes zu erkennen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist eine zweite Fehlererkennungseinrichtung ausgebildet, den mit dem Festkontakt verschweißten beweglichen Kontakt anhand einer Zuschaltung eines Leistungsschalters auf einen Kurz- oder Erdschluss zu erkennen. Wird ein Leistungsschalter eingeschaltet und im zugeschalteten Teilnetz existiert ein Kurz- oder Erdschluss, kann davon ausgegangen werden, dass eine Verschweißung der Schaltkontakte erfolgt und für eine Kontaktöffnung ein erhöhter Kraftbedarf notwendig ist. Die Zuschaltung auf einen Kurz-oder Erdschluss kann z.B. im dem Schaltgerät zugeordneten Schutzgerät erkannt und von der Zuschaltung auf ein fehlerfreies Teilnetz unterschieden werden. In diesem Fall kann die Abschaltung („OPEN“) des Leistungsschalters sofort gemäß der hier beschrieben Methode mit Trennkrafterhöhung erfolgen, ohne Wartezeit und Abwarten eines „normalen“ ohne Trennkrafterhöhung Öffnungsversuches.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Ansteuerungseinrichtung ausgebildet, eine vorgegebene Anzahl von Trennversuchen für den mit dem Festkontakt verschweißten beweglichen Kontakt mittels einer erhöhten Trennkraft vorzunehmen, falls beim ersten Trennversuch der mit dem Festkontakt verschweißte bewegliche Kontakt nicht getrennt wurde. Ein Trennversuch ist eine Schalthandlung zum Öffnen der verschweißten Kontakte. Weist die Antriebseinrichtung z.B. einen Magnetantrieb auf, so kann dieser entsprechend für die vorgesehene Anzahl von Trennversuchen ausgelegt sein, d.h. sein Energiespeicher (i.d.R. eine Kondensatorbank) muss ausreichend elektrische Energie bereitstellen. Bisherige Geräte weisen typischerweise eine Auslegung auf, die bis zu fünf Trennversuche gestattet. Die vorgegebene Anzahl von Trennversuchen kann z.B. zwischen 2 und 15 liegen, bevorzugt zwischen 4 und 10. Noch mehr bevorzugt sind 5 Trennversuche.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist eine Schwingungsmesseinrichtung ausgebildet, die Eigenperiodendauer beim Einschalten zu bestimmen. Dies bedeutet, dass zu einem Zeitpunkt 0 eine Einschaltbewegung durch die Antriebseinrichtung ausgelöst wird, die einen Kraftstoß über den beweglichen Kontakt auf den Festkontakt einkoppelt. Es wird eine mechanische Schwingung erzeugt, bei der es im Rahmen der Erfindung vor allem interessant ist, wann diese Schwingung derart entgegen dem Kraftstoß zurückschwingt, dass bereits eine Zugkraft auf den beweglichen Kontakt wirkt, bevor mittels der Ausschaltbewegung eine Trennkraft eingekoppelt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung weist die Schwingungsmesseinrichtung einen Beschleunigungssensor auf und die Eigenperiodendauer wird anhand von im zeitlichen Verlauf einer gemessenen Beschleunigung auftretenden Zeitpunkten ohne Beschleunigung bestimmt. Die im zeitlichen Verlauf einer gemessenen Beschleunigung auftretenden Zeitpunkte ohne Beschleunigung sind Nulldurchgänge im Beschleunigung-vs-Zeit Diagramm. Zunächst erfolgt eine positive Beschleunigung, die beim Erreichen der maximalen Auslenkung ihren ersten Nullpunkt erreicht. Danach schwingt die Anordnung mit einer negativen Beschleunigung zurück, die beim zweiten Nulldurchgang der Beschleunigung ihr Auslenkungsmaximum aufweist. Dies ist der optimale Zeitpunkt, um die Ausschaltbewegung einzukoppeln. Entsprechend kann die Ausschaltbewegung seitens der Antriebseinrichtung bei z.B. bei 80 % bis 120 % der Zeitspanne bis zum zweiten Nulldurchgang (oder ganzzahligen Vielfachen dieser Zeitspanne) liegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Schwingungsmesseinrichtung ausgebildet, die Eigenperiodendauer anhand einer maximalen Auslenkung der Schwingung zu bestimmen. Diese Wegmessung kann mittels eines Schiebers und eines Magnetwegsensors erfolgen oder optisch, wobei z.B. ein Laser oder eine Kamera eingesetzt werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Schwingungsmesseinrichtung ausgebildet, die Eigenperiodendauer bei einer Probeschaltung mit spannungsfreiem beweglichen Kontakt und Festkontakt zu bestimmen. Es wird z.B. spezifisch für den Schaltgerätetyp der Vakuumschaltanordnung die Eigenfrequenz bzw. Eigenperiodendauer für Kraftstöße der kinematischen Kette bestimmt, z.B. im Rahmen der Typprüfung vor Zulassung des Geräts. Die Typprüfung kann herstellerseitig gemäß den heranzuziehenden Prüfnormen erfolgen oder von einer zuständigen Aufsichtsbehörde durchgeführt werden. Eine Probeschaltung kann also wegen des spannungsfreien Zustands der Kontakte gefahrlos durch einen Techniker beobachtet werden.
Besonders bevorzugt kann diese Probeschaltung vor Ort im Rahmen einer Installation durch einen Techniker erfolgen, also vor der ersten Inbetriebnahme. Für jede Phase einer dreiphasigen Leitung wird typischerweise ein eigenes evakuiertes Gehäuse für Schaltkontakte vorgesehen, dass jeweils an zwei Sammelschienen (Zu- und Ableitung) angeschraubt wird. Diese sechs metallischen Sammelschienen (i.d.R. aus Kupfer) weisen Profile mit z.B. 10 cm x 2 cm auf, sind also vergleichsweise unflexibel. Sie beeinflussen die mechanischen Eigenschaften der Vakuumschaltanordnung und ihr Schwingungsverhalten maßgeblich. Deswegen ist es sinnvoll, z.B. nach Verbinden mit den Sammelschienen die Eigenperiodendauer zu bestimmen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumschaltanordnung ist die Schwingungsmesseinrichtung ausgebildet, lösbar an einem den beweglichen Kontakt und den Festkontakt umgebenden Gehäuse festgelegt zu werden. Das Gehäuse kann beispielsweise Teil einer Halteeinrichtung für die Vakuumschalteinrichtung mit den Kontakten sein. Die Schwingungsmesseinrichtung kann beispielsweise eine Befestigungsplatte mit einer Bohrung aufweisen, die es gestattet, die Schwingungsmesseinrichtung für die Messung vorübergehend mittels einer der Schrauben für die Sammelschienen festzulegen.
Ausgehend von bekannten Verfahren zum Trennen verschweißter Kontakte einer Vakuumschaltanordnung stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem einfach, schnell und zuverlässig Netzabschaltungen aufgrund von Fehlschaltungen vermieden werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 12 bis 15. Es ergeben sich dabei sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Vakuumschaltanordnung erläutert.
Zur besseren Beschreibung der Erfindung zeigen in schematischer Darstellung die

1 Ein Ausführungsbeispiel für eine dreiphasig ausgeführte Vakuumschaltanordnung, und
2 eine erste Seitenansicht der Vakuumschaltanordnung gemäß 1, und
3 eine zweite Seitenansicht der Vakuumschaltanordnung gemäß 1, und
4 eine Übertragungsmechanik der Vakuumschaltanordnung gemäß 1, und
5 eine mechanische Schwingung einer Vakuumschaltanordnung beim Einschalten.

Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine dreiphasig ausgeführte Vakuumschaltanordnung 1. Die Darstellung ist dreidimensional gewählt und die Achsen x, y, z sind durch Pfeile angedeutet. Ein Antriebsgehäuse 2 für eine Antriebseinrichtung für den Schalter weist eine Hauptdrehachse 3 auf. Diese koppelt eine Drehbewegung in drei Hauptkoppelstangen 5 ein, die an ihren der Hauptdrehachse 3 zugewandten Enden mit jeweils einer Federeinrichtung 4 ausgestattet sind. Die Federeinrichtung 4 weist eine Spiralfeder auf.
Jede der drei Hauptkoppelstangen 5 überträgt beim Einschalten der Vakuumschaltanordnung 1 eine Schubbewegung in separate und elektrisch isoliert voneinander beabstandete Teilschalteinrichtungen 15, 16, 17. Mit den Teilschalteinrichtungen 15, 16, 17 kann jede Phase eines dreiphasigen Stromes einzeln geschaltet werden. Jede Teilschalteinrichtung 15, 16, 17 weist zwei Isolatoren 7, 8 auf. Die Isolatoren 7, 8 weisen Isolatorschirme 6 zur Kriechwegverlängerung auf. Die Isolatoren 7, 8 sind im Wesentlichen V-förmig auf dem Gehäuse 2 angeordnet und beabstanden jede Teilschalteinrichtung 15, 16, 17 elektrisch isolierend von dem Antriebsgehäuse 2.
Jede Teilschalteinrichtung 15, 16, 17 weist eine Vakuumschalteinrichtung 9 auf (im Folgenden auch Vakuumschaltröhre genannt) auf. In der Vakuumschaltröhre 9 ist jeweils ein beweglicher Kontakt mittels der Hauptkoppelstange 5 und weiterer Komponenten einer kinematischen Kette auf einen Festkontakt anpressbar (nicht dargestellt). Berühren sich der bewegliche Kontakt und der Festkontakt, so ist die Teilschalteinrichtung 15,16,17 jeweils geschlossen. Die Vakuumschalteinrichtung 9 ist jeweils in einer U-förmig gestalteten Haltevorrichtung 10 festgelegt. Die Haltevorrichtung 10 umfasst die Vakuumschalteinrichtung 9 und stabilisiert diese mechanisch mittels der Stege 12. Jede der Teilschalteinrichtungen 15, 16, 17 weist zwei Anschlussplatten 11, 14, 18, 19, 20, 21 auf, die jeweils fünf Bohrungen 13 mit Innengewinde aufweisen. An den Anschlussplatten 11, 14, 18, 19, 20, 21 können bei Inbetriebnahme jeweils Sammelschienen angeschraubt werden (nicht dargestellt).
Die 2 zeigt eine erste Seitenansicht der Vakuumschaltanordnung 1. In dieser und den folgenden Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen angegeben. In der dargestellten Seitenansicht ist beispielhaft die Teilschalteinrichtung 17 angegeben. Wird beim Einschalten mittels der Hauptkoppelstange 5 eine Anpressbewegung innerhalb der Vakuumschaltröhre 9 ausgeführt, so prallt der bewegliche Kontakt auf den Festkontakt (nicht dargestellt) und es wird ein Kraftstoß in Richtung der Achse y ausgeführt. Durch den Kraftstoß werden die mechanischen Komponenten der Teilschalteinrichtung 17 sowie des Antriebsgehäuses 2 beansprucht und verformt, u.a. durch Lagerspiele und mechanische Elastizitäten der Bauteile. Durch Elastizitäten der kinematischen Kette bzw. der Übertragungsmechanik 3, 4, 5 sowie der Isolatoren 7, 8 kommt es zu einer mechanischen Schwingung. Näherungsweise ist die Schwingung bogenförmig. Sie wird durch den Pfeil 24 angedeutet. In Richtung der Achse y ist aufgrund der bogenförmigen Schwingung eine Auslenkung in y-Richtung erkennbar, die durch die Pfeile 25, 26 angedeutet wird. Zunächst kommt es zu einer Schwingung in Richtung y, später dann zu einer Rückschwingung in Richtung -y.
In der 3 sind für die Teilschalteinrichtung 17 zwei Sammelschienen 22, 23 eingezeichnet, die an der Halteeinrichtung 10 mittels Schrauben 24 festgelegt sind. Im Bereich der Sammelschiene 23 ist mittels der Schrauben 24 zusätzlich eine Schwingungsmesseinrichtung 25 mittels der Schrauben 24 festgelegt. Mittels der Schwingungsmesseinrichtung 25 kann während der Inbetriebnahme der Vakuumschaltanordnung 1, d.h. nach Anschließen der Sammelschienen 22, 23, im stromlosen Zustand (mittels einer so genannten Probeschaltung) eine mechanische Schwingung beim Einschalten gemessen werden. Beispielsweise kann die Schwingungsmesseinrichtung 25 die Schwingung mittels eines Beschleunigungssensors erfassen.
Die 4 zeigt eine Detailansicht einer Übertragungsmechanik 50. Eine Antriebseinrichtung 51 kann einen Schub oder Zug in Richtung 66 auf eine Koppelstange 53 ausüben. Der Schub ist eine Einschaltbewegung im Sinne der Erfindung, während der Zug eine Ausschaltbewegung ist. Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise ein elektromagnetischer Linearmotor sein. Die Koppelstange 53 ist an ihren beiden Enden mittels des ersten Lagers 52 und des zweiten Lagers 54 drehbar gelagert. Die Koppelstange 53 ist mittels des Lagers 54 an einem Hebel 56 angebracht. Der erste Hebel 56 ist auf der Hauptdrehachse 3 angebracht. Über ein drittes Lager 55 ist der Hebel 56 mit der Hauptkoppelstange 5 bzw. der Federeinrichtung 4 verbunden.
Die Hauptkoppelstange 5 ist mit einer Seite eines Kniehebels 58 verbunden, der auf einer Achse 59 drehbar gelagert ist. Die Hauptkoppelstange 5 ist mit dem Kniehebel 58 über ein viertes Lager 57 verbunden. An der anderen Seite des Kniehebels 58 ist ein fünftes Lager 60 vorgesehen, das eine Zug-oder Schubbewegung auf einen beweglichen Kontakt 61 einkoppeln kann.
Der bewegliche Kontakt 61 ist fluiddicht in das Gehäuse der evakuierten Vakuumschaltröhre 9 eingeführt. Der bewegliche Kontakt 61 weist eine verbreiterte, scheibenförmige Kontaktvorrichtung 62 auf. Im dargestellten geöffneten Zustand ist diese Kontaktvorrichtung 62 des beweglichen Kontakts 61 über eine Trennstrecke 65 von einer Kontaktvorrichtung 63 eines Festkontakts 64 getrennt. Unter anderem durch die dargestellten Lager 52, 54, 55, 57, 60 sowie die Federeinrichtung 4 ergibt sich für die Übertragungsmechanik eine gewisse Elastizität, die erfindungsgemäß zur Erhöhung der Trennkraft ausgenutzt werden kann.
Die 5 zeigt eine idealisierte mechanische Schwingung in Richtung der Achse y, die nach der Zeit t aufgetragen ist. Die mechanische Schwingung beginnt zum Zeitpunkt 0 und erreicht zum Zeitpunkt t₁ im sinusförmigen Verlauf ihr Maximum Y_M. Nach dem Nulldurchgang bei t₂ erreicht die Schwingung ihr negatives Maximum (-Y_M) zum Zeitpunkt t₃. Zum Zeitpunkt t₄ erfolgt ein weiterer Nulldurchgang der Schwingung. Zum Zeitpunkt t₅ schließlich erreicht die Schwingung wiederum ihr positives Maximum Y_M. Der Abstand der beiden positiven Maxima zu den Zeitpunkten t₁ und t₅ ist als Eigenperiodendauer T_E definiert.
Unterhalb der Zeitachse t ist die mechanische Schwingung, welche durch die Vakuumschaltanordnung ausgeführt wird, schematisch und stark übertrieben angedeutet. Die Schwingung erfolgt im Wesentlichen in der der für jede Phase montierten sognannten Polgruppe 7,8,9, und zwar relativ zum Antriebsgehäuse 2. Das Antriebsgehäuse 2 ist vergleichsweise steif und in der Schaltanlage befestigt.
Zum Zeitpunkt 0 ist die dargestellte Vakuumschaltanordnung mit der gestrichelten Hilfsachse 40 im Lot, d.h. die Vakuumschaltröhre 9 bildet einen rechten Winkel mit dem Lot.
Erfolgt nun der Kraftstoß zum Einschalten mittels der Übertragungsmechanik, hier angedeutet durch die Hauptkoppelstange 5, so beginnt die Vakuumschaltanordnung (bzw. im Wesentlichen die Polgruppe 7,8,9) im Bild nach links in Richtung der Achse y zu schwingen und um den Winkel α aus der Vertikalen zu kippen.
Zum Zeitpunkt t₁ ist die maximale Auslenkung Y_M erreicht. Die Hilfsachse 40 bzw. die Vakuumschalteinrichtung (bzw. im Wesentlichen die Polgruppe 7,8,9) ist gegen das Lot um den Winkel α gekippt.
Zum Zeitpunkt t₂, dem ersten Nulldurchgang, ist die Vakuumschaltanordnung in dieselbe Position wie zum Zeitpunkt 0 zurückgeschwungen und wieder vertikal ausgerichtet.
Zum Zeitpunkt t₃ ist die Vakuumschaltanordnung (bzw. im Wesentlichen die Polgruppe 7,8,9) in ihrer maximalen Auslenkung -y_M in negativer Richtung entlang der y-Achse ausgeschwungen und bildet mit der Hilfsachse 40 zum Lot den Winkel β. Bei einer idealisierten Schwingung ohne Dämpfung, wie sie hier betrachtet wird, sind die Winkel α und β betragsmäßig identisch. Die Zeitspanne t_x = 0,75 T_E markiert eine bevorzugte vorher festgelegte Zeitspanne zum Einkoppeln der Ausschaltbewegung, wenn vorher die Einschaltbewegung eingekoppelt wurde.
Zum Zeitpunkt t3 ist folglich die maximale Auslenkung in Richtung -y erkennbar. Diese maximale Auslenkung der Schwingung markiert den optimale Zeitpunkt, um nun mittels der Antriebseinrichtung eine Trennkraft auf die verschweißten Kontakte innerhalb der Vakuumschaltöhre 9 auszuüben und diese auseinanderzureißen. Durch die Auslenkung im Rahmen der Schwingung in Verbindung mit der durch die Übertragungsmechanik bereitgestellten erhöhte Trennkraft können verschweißte Kontakte besser als bisher auseinandergerissen werden.

Claims

Vakuumschaltanordnung (1), aufweisend eine Antriebseinrichtung (2,51), die ausgebildet ist, eine Einschaltbewegung oder eine Ausschaltbewegung in eine Übertragungsmechanik (3-5,50,52-60) einzukoppeln, wobei die Übertragungsmechanik (3-5,50,52-60) ausgebildet ist, die Einschaltbewegung in eine Bewegung eines beweglichen Kontakts (61,62) hin zu einem Festkontakt (63,64) und eine Anpresskraft sowie die Ausschaltbewegung in eine Trennkraft und eine Bewegung des beweglichen Kontakts (61,62) weg vom Festkontakt (63,64) zu übersetzen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerungseinrichtung ausgebildet ist, einen mit dem Festkontakt (63) verschweißten beweglichen Kontakt (62) zu trennen, indem mittels der Antriebseinrichtung (2,51) zuerst die Einschaltbewegung eingekoppelt wird und nach einer vorher festgelegten Zeitspanne (t_x) die Ausschaltbewegung eingekoppelt wird, wobei die Zeitspanne (t_x) derart auf eine Eigenperiodendauer (T_E) einer mechanischen Schwingung (24) der Vakuumschaltanordnung (1) abgestimmt ist, dass mittels in der Übertragungsmechanik (3-5,50,52-60) gespeicherter mechanischer Energie die Trennkraft erhöht wird.
Vakuumschaltanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungseinrichtung ausgebildet ist, als Zeitspanne (t_x) 65 % bis 85 % der Eigenperiodendauer (T_E) festzulegen.
Vakuumschaltanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Fehlererkennungseinrichtung ausgebildet ist, den mit dem Festkontakt (63) verschweißten beweglichen Kontakt (62) anhand einer trotz mittels der Ansteuerungseinrichtung ausgelösten Ausschaltung weiterhin über die Kontakte (61-64) fließenden Stromes zu erkennen.
Vakuumschaltanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Fehlererkennungseinrichtung ausgebildet ist, den mit dem Festkontakt (63) verschweißten beweglichen Kontakt (62) anhand einer Zuschaltung eines Leistungsschalters auf einen Kurz- oder Erdschluss zu erkennen.
Vakuumschaltanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungseinrichtung ausgebildet ist, eine vorgegebene Anzahl von Trennversuchen für den mit dem Festkontakt (63) verschweißten beweglichen Kontakt (62) mittels einer erhöhten Trennkraft vorzunehmen, falls beim ersten Trennversuch der mit dem Festkontakt (63) verschweißte bewegliche Kontakt (62) nicht getrennt wurde.
Vakuumschaltanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungsmesseinrichtung (25) ausgebildet ist, die Eigenperiodendauer (T_E) beim Einschalten zu bestimmen.
Vakuumschaltanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsmesseinrichtung (25) einen Beschleunigungssensor aufweist und die Eigenperiodendauer (T_E) anhand von im zeitlichen Verlauf einer gemessenen Beschleunigung auftretenden Zeitpunkten ohne Beschleunigung bestimmt wird.
Vakuumschaltanordnung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsmesseinrichtung (25) ausgebildet ist, die Eigenperiodendauer (T_E) anhand einer maximalen Auslenkung (y_M) der Schwingung (24) zu bestimmen.
Vakuumschaltanordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsmesseinrichtung (25) ausgebildet ist, die Eigenperiodendauer (T_E) bei einer Probeschaltung mit spannungsfreiem beweglichen Kontakt (61,62) und Festkontakt (63, 64) zu bestimmen.
Vakuumschaltanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsmesseinrichtung (25) ausgebildet ist, lösbar an einem den beweglichen Kontakt und den Festkontakt umgebenden Gehäuse (10) festgelegt zu werden.
Verfahren zum Trennen verschweißter Kontakte (61-64) einer Vakuumschaltanordnung (1), mit den Schritten: Einzukoppeln einer Einschaltbewegung oder einer Ausschaltbewegung in eine Übertragungsmechanik (3-5,50,52-60) mittels einer Antriebseinrichtung (2,51), und Übersetzen der Einschaltbewegung in eine Bewegung eines beweglichen Kontakts (61,62) hin zu einem Festkontakt (63,64) und eine Anpresskraft sowie der Ausschaltbewegung in eine Trennkraft und eine Bewegung des beweglichen Kontakts (61,62) weg vom Festkontakt (63,64) mittels der Übertragungsmechanik (3-5,50,52-60), gekennzeichnet durch die Schritte: Trennen des mit dem Festkontakt (63) verschweißten beweglichen Kontakts (62) mittels einer Ansteuerungseinrichtung, indem mittels der Antriebseinrichtung (2,51) zuerst die Einschaltbewegung eingekoppelt wird und nach einer vorher festgelegten Zeitspanne (t_x) die Ausschaltbewegung eingekoppelt wird, wobei die Zeitspanne (t_x) derart auf eine Eigenperiodendauer (T_E) einer mechanischen Schwingung der Vakuumschaltanordnung (1) abgestimmt ist, dass mittels in der Übertragungsmechanik (3-5,50,52-60) gespeicherter mechanischer Energie die Trennkraft erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Ansteuerungseinrichtung als Zeitspanne (t_x) 65 % bis 85 % der Eigenperiodendauer (T_E) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer ersten Fehlererkennungseinrichtung der mit dem Festkontakt (63) verschweißte bewegliche Kontakt (62) anhand eines trotz mittels der Ansteuerungseinrichtung ausgelöster Ausschaltung weiterhin über die Kontakte (61-64) fließenden Stromes erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer zweiten Fehlererkennungseinrichtung der mit dem Festkontakt (63) verschweißte bewegliche Kontakt (62) anhand einer Zuschaltung eines Leistungsschalters auf einen Kurz- oder Erdschluss erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Ansteuerungseinrichtung eine vorgegebene Anzahl von Trennversuchen für den mit dem Festkontakt (63) verschweißten beweglichen Kontakt (62) mittels einer erhöhten Trennkraft vorgenommen wird, falls beim ersten Trennversuch der mit dem Festkontakt (63) verschweißte bewegliche Kontakt (62) nicht getrennt wurde.