DE19608765A1 - Elektrische Schaltvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung mit einem Trennschalter und einer mit diesem elektrisch in Reihe liegenden, auf Überstrom ansprechenden Ab­ schalteinrichtung, die beim Abschalten zeitverzögert den Trennschalter ausschaltet.

Es ist eine elektrische Schaltvorrichtung bekannt geworden, bei der in Reihe mit einem Lasttrennschalter eine Sicherung geschaltet ist. Diese Sicherung, die als Schmelzsi­ cherung ausgebildet ist, spricht bei Überströmen an und unterbricht den Strompfad da­ durch, daß die Sicherung durchschmilzt. Sie besitzt einen Zapfen, der bei Ansprechen aus dem Sicherungsgehäuse herausspringt und auf einen Hebel schlägt, der über ei­ nen Seilzug eine Verklinkungsstelle für den Lasttrennschalter entklinkt, und damit die Ausschaltung freigibt. Diese Übertragungseinrichtung arbeitet zeitverzögert, so daß der Lasttrennschalter erst dann öffnet, wenn die Sicherung den Strom schon unterbrochen hat. Der Lasttrennschalter öffnet dabei stromlos.

Wenn die Schaltstrecke wieder geschlossen werden soll, dann muß zunächst die Si­ cherung ausgebaut und durch eine neue, ausschaltbereite Sicherung ersetzt werden. Danach kann der Lasttrennschalter eingeschaltet werden. Definitionsgemäß hält die Lastschaltertrennstrecke die Spannung im ausgeschalteten Zustand und der Lasttrennschalter kann auf Kurzschluß eingeschaltet werden, so daß unmittelbar nach Einschaltung im Falle eines Kurzschlusses der Vorgang wiederholt wird. Wenn kein Kurzschluß ansteht, dann bleibt die Schaltstrecke eingeschaltet. Wenn die Schaltvor­ richtung in einem SF₆-gasisolierten Schaltfeld untergebracht ist, dann muß die Siche­ rung außerhalb des SF₆-Gasraumes untergebracht sein.

Das Auswechseln der Sicherung ist zeitaufwendig, da Personal unmittelbar benötigt wird.

Es wurde vorgeschlagen, in Reihe zu einem Lasttrennschalter einen strombegrenzen­ den Widerstand zu schalten, der eine positive Temperaturcharakteristik aufweist. Tat­ sächlich ausgeführte Einrichtungen im Mittelspannungsbereich sind aber noch nicht bekannt geworden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits alle technischen Anforderungen erfüllt und andererseits auch kostengünstig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abschalteinrichtung eine Vakuumkammer ist, die von einem einen Anker, der die Vakuumkammer unmittelbar antreibt, eine Spule und ein Joch aufweisenden Elektromagnetantrieb betätigbar ist, daß die Spule vom Netzstrom angesteuert ist und daß Mittel vorgesehen sind, die den Anker in Einschaltstellung bei Nennstrom durch die Spule festhalten.

Erfindungsgemäß also werden ein Lasttrennschalter und eine Vakuumkammer in Reihe geschaltet, wobei die mechanische Abstimmung des Antriebes sowohl der Vakuum­ kammer als auch des Lasttrennschalters so ist, wie bei der bekannten Reihenschaltung eines Lasttrennschalters mit der Sicherung: beim Ausschalten muß zunächst die Vaku­ umkammer den Strom abschalten und danach öffnet der Lastschalter stromlos.

Durch die Verwendung eines Permanentmagnetantriebes kann die Vakuumkammer öffnen, da die Spule vom Netzstrom angesteuert wird. Es hat sich herausgestellt, daß bei einer ausgeführten Vorrichtung der Vakuumschalter nach ca. 10 ms abgeschaltet hat und daß danach der Lasttrennschalter etwa nach 60 ms in Öffnungsstellung ge­ bracht wurde.

Es bestehen nun zwei Möglichkeiten:
Zum einen kann die Spule direkt vom Netzstrom durchflossen werden, in dem sie in Reihe mit dem Trennschalter und der Vakuumkammer liegt. Dabei besteht das Pro­ blem, daß je nach Polarität des Stromes der Antrieb erst bei der zweiten Halbwelle öff­ net; dies kann einfach dadurch vermieden werden, daß ein Transformator vorgesehen ist, dessen Primärwicklung die Netzleitung bildet und dessen Sekundärwicklung über einen Gleichrichter mit der Spule verbunden ist. Wenn dann ein Überstrom ansteht, dann wird über den Transformator und den Gleichrichter der Permanentmagnetantrieb schon bei der ersten Halbwelle angesteuert und die Vakuumkammer ausgeschaltet.

Der besondere Vorteil der Anordnung besteht darin, daß eine preisgünstige Vakuum­ kammer verwendet werden kann; beispielsweise wäre die volle Spannungsfestigkeit bei ihr nicht erforderlich, da die volle Spannungsfestigkeit vom Lasttrennschalter erfüllt ist, und darüberhinaus ist auch ein sog. Einschaltvermögen auf Kurzschluß nicht gefor­ dert, weil dieses beim Lasttrennschalter erfüllt ist.

Die Wirkungsweise der elektrischen Schaltvorrichtung ist wie folgt bei Auftreten eines Kurzschlusses wird über den Permanentmagnetantrieb, je nachdem, ob ein Gleichrich­ ter dazwischen geschaltet ist oder nicht, die Vakuumkammer spätestens in der zweiten Halbwelle ausgeschaltet; aufgrund der Mechanik, mit der der Lasttrennschalter geöff­ net wird, öffnet der Lasttrennschalter deutlich nach Abschaltung des Stromes, d. h. stromlos.

Zum Einschalten wird über eine mechanische Betätigung, die manuell erfolgen kann, die Vakuumkammer und danach der Lasttrennschalter eingeschaltet, so daß für die Vakuumkammer kein Einschaltvermögen auf Kurzschluß gefordert ist.

Anstatt eines Permanentmagneten können auch andere Mittel vorgesehen sein, die den Anker in ihrer Einschaltstellung festhalten. Beispielsweise können Rastelemente, vorzugsweise Kugelrastelemente verwendet sein, die federnd in eine Rille oder Öff­ nung auf dem Außenumfang hineingedrückt werden; wenn der Nennstrom durchfließt, wird durch die Kugelrastelemente der Anker in Einschaltstellung gehalten; bei Über­ strom wird die Verrastungskraft überwunden, so daß die Vakuumkammer und damit auch der Lasttrennschalter in Ausschaltstellung gehen kann.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesse­ rungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 zwei unterschiedliche Schaltstellungen der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltvorrichtung,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern der Spule, und

Fig. 4 und 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit mechanischen Ver­ rastungsmitteln in Einschaltstellung und Ausschaltstellung.

An einer Sammelschienenleitung 10, die ein- oder mehrphasig ausgebildet sein kann, ist ein Abzweig 11 angeschlossen, in dem sich ein Lasttrennschalter 12 und eine Va­ kuumkammer 13 befinden. Die Vakuumkammer 13 wird von einem Permanentma­ gnetantrieb 14 angetrieben, der einen ortsfest angeordneten Permanentmagneten 15, einen bewegbaren Anker 16, ein Joch 17 und eine Spule 18 umfaßt. Bei der Ausfüh­ rung nach Fig. 1 und 2 befindet sich die Spule 18, wie ersichtlich, in Reihe mit dem Lasttrennschalter 12 und der Vakuumkammer 13. Die Spule selbst kann innerhalb des Joches beliebig angeordnet werden. An dem Anker 16, der in bekannter Weise mit dem beweglichen Kontaktstück der Vakuumkammer über eine Antriebsstange 19 ver­ bunden ist, ist eine Ausschaltfeder 20 angeschlossen, die den Anker in Ausschaltrich­ tung beaufschlagt. Mit dem Anker 16 ist über eine an sich bekannte Übertragungsme­ chanik 21 die Verklinkungsfreigabe für das bewegliche Kontaktstück des Lasttrenn­ schalters 12 gekoppelt, und zwar derart, daß der Lasttrennschalter erst nach Ausschal­ ten der Vakuumkammer 13 ausschaltet.

Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß Fig. 1 ist wie folgt:
die durch den Magnetfluß des Permanentmagneten hervorgerufene Kraft hält die ein­ geschaltete Stellung der Vakuumkammer aufrecht, auch wenn die bei Nennstrom durchflossene Spule ein Gegenfeld aufbaut.

Wenn dagegen in der Netzleitung 11 ein Überstrom ansteht, dann wird über die Spule 18 der im Joch 17 befindliche Magnetfluß, herrührend vom Permanentmagneten 15, aufgehoben, so daß die Feder 20 den Anker 16 vom Permanentmagneten 15 abziehen kann. Darüberhinaus wirkt auf den Anker 16 auch die Spule 18 in Richtung Ausschal­ ten.

Wenn nun die Vakuumkammer 13 in Öffnungsstellung verbracht ist und damit der Strom in der Netzleitung 11 abgeschaltet ist, dann wird über den zeitverzögernden He­ belmechanismus auch der Lasttrennschalter in Ausschaltstellung verbracht; der Lasttrennschalter 12 schaltet dann stromlos aus.

In der Fig. 1 und 2 ist der Hebelmechanismus 21 durch einen um einen Drehpunkt 22 drehbaren Doppelarmhebel 23, ein Verbindungsglied 24 und ein mechanisches Auslö­ seglied 25 gebildet, welches eine Verklinkungsstelle umfaßt, die nach Entklinken das bewegliche Kontaktstück des Lasttrennschalters 12 in Öffnungsstellung bringt.

Bei der Ausschaltung wird der Doppelarmhebel 23 im Uhrzeigersinn um den Drehpunkt 22 verdreht; zum Einschalten wird der Doppelarmhebel 23 gemäß Pfeilrichtung PE um den Drehpunkt 22 verschwenkt, so daß der Anker gemäß Pfeilrichtung P und damit die Vakuumkammer 13 in Einschaltstellung verbracht werden. Über das Verbindungsglied 24 wird die mechanische Auslösung 25 wieder verriegelt und dabei zeitverzögert ge­ genüber der Vakuumkammer der Lastschalter 12 eingeschaltet.

Die Hebelmechanik 21 ist an sich bekannt.

Bei der Ausführung nach den Fig. 1 und 2, bei der die Spule 18 in der Netzleitung 11 liegt, besteht das Problem, daß je nach Polarität des Kurzschlußstromes der Perma­ nentmagnetantrieb 14 erst in der zweiten Halbwelle anspricht. Um zu erreichen, daß schon in der ersten Halbwelle eine Ausschaltung bewirkt wird, wird ein Transformator 30 vorgesehen, dessen Primärwicklung 31 in der Netzleitung 11 liegt bzw. dessen Pri­ märwicklung durch die Netzleitung 11 direkt gebildet ist. Dem Transformator 30 ist eine Sekundärwicklung 32 zugeordnet, die auf einen Gleichrichter 33 geschaltet ist, der ein Brückengleichrichter ist, dessen Gleichrichterausgang über Leitungen 34 und 35 mit einer Spule 36 verbunden ist.

Wenn nun ein Kurzschluß in dem Netzleiter 11 auftritt, durch den Blitzpfeil 37 an der Vakuumkammer 13 angedeutet, dann fließt der Strom i durch die Spule 31 und der in der Sekundärwicklung 32 induzierte Strom i_st steuert die Spule 36 an, nachdem er im Gleichrichter 33 gleichgerichtet ist. Auf diese Weise wird die Spule 36 schon in der er­ sten Halbwelle bei Auftreten eines Überstromes erregt. Die in der Fig. 3 nicht gezeigten Teile entsprechen denen der Anordnung nach den Fig. 1 und 2.

Mit dieser Anordnung wird eine sog. reversible Schaltvorrichtung erzielt, bei der im Gegensatz zu der Anordnung mit der Sicherung ein Austausch eines Bauteiles nicht mehr erforderlich ist, sondern lediglich ein Einschaltvorgang vorgenommen werden muß. Außerdem können alle Komponenten in einem einzigen Gasraum untergebracht sein.

Der Permanentmagnet 15 bewegt sich dabei nicht, sondern hat die Aufgabe, die Schaltvorrichtung in Einschaltstellung zu halten. Die Ausschaltfeder 20 unterstützt da­ bei die Ausschaltbewegung beim Anfang.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 1 wird die eingeschaltete Stellung der Vakuumkammer 13 durch diejenige Kraft aufrechterhalten, die aus dem Permanentmagnetfeld des Per­ manentmagneten 15 hervorgerufen wird.

Anstatt einer Permanentmagnethaltung können auch mechanische Rastelemente vor­ gesehen sein, die beispielhaft in den Fig. 4 und 5 dargestellt sind.

Der Antrieb gemäß Fig. 4 umfaßt ein Joch 50, welches dem Joch 17 der Fig. 1 ent­ spricht. Innerhalb des Joches 50 ist ein Anker 51 verschiebbar gelagert, der von einer Spule 52 umgeben ist. Schematisch dargestellt sind zwei Rastkugeln 53 und 54, die unter dem Druck einer nicht näher dargestellten Feder in Vertiefungen 55 und 56 an der den Anker 51 führenden Innenfläche 57 des Joches radial nach außen hineinge­ drückt sind. Die Kugeln 53 und 54 befinden sich in nicht näher dargestellten Radial­ bohrungen innerhalb des Ankers 51. Wenn der Nennstrom I_N durch die Spule hin­ durchfließt, dann halten die Rastkugeln 53 und 54 den Anker in der in Fig. 4 dargestell­ ten Einschaltstellung fest. Wenn nun ein Überstrom ansteht, dann überwindet die An­ zugskraft der Spule 52 die Haltekraft der Rastkugeln 53 und 54 bzw. der zugehörigen Federn, so daß die Rastkugeln aus den Vertiefungen 55, 56 in ihre Bohrungen im An­ ker 51 hineingleiten können, so daß der Anker 51 in Ausschaltstellung gemäß Pfeilrich­ tung P_A bewegt wird. Mit anderen Worten: die kugelförmigen, federnd gelagerten Ver­ klinkungselemente 53 und 54, die auf dem Anker 51 angeordnet sind, verrasten gemäß Fig. 4 in den Vertiefungen 55, 56 und sichern so die eingeschaltete Stellung der Vaku­ umkammer, auch wenn die Spule vom Nennstrom I_N durchflossen wird. Wenn dagegen ein Überstrom fließt, übersteigt die durch den Stromfluß in der Spule 52 bewirkte Kraft die Verklinkungskraft, so daß der Anker 51 in die in Fig. 5 gezeigte Ausschaltrichtung bewegt wird und die Vakuumkammer öffnet.

In den Fig. 4 und 5 sind die übrigen Komponenten des Antriebes gemäß den Fig. 1 bis 3 sowie des Lastschalters nicht näher dargestellt, da sie hierzu identisch sind.

Es lassen sich auch weitere Verklinkungselemente denken, die im Rahmen des Ge­ genstandes der Erfindung liegen.

Die Spule 18 ist ebenso wie die Primärwicklung 31 dauernd vom Strom durchflossen und sowohl die Spule 18 als auch die Primärwicklung 31 sind so dimensioniert, daß sie den Strom nicht begrenzen oder nicht dämpfen. Eine gewisse Dämpfung wird aller­ dings beim Anstieg des Kurzschlußstromes erzielt, desweiteren können strombegren­ zende Elemente (z. B. Widerstände) in den Kreis geschaltet werden.

Aufgrund der Mechanik bzw. des Hebelmechanismus in Verbindung mit dessen Mas­ senträgheit wird der Lastschalter ca. 60 ms bis 70 ms nach Ausschalten der Vakuum­ kammer 13 angesteuert. Der Lichtbogen in der Vakuumkammer erlöscht normalerweise nach 10 ms bzw. nach einer Halbwelle plus 10 ms, so daß immer noch ausreichend Zeit vorhanden ist, daß der Lasttrenner nach der Vakuumkammer 13 stromlos öffnet.

Die mechanische Betätigung zum Wiedereinschalten kann beispielsweise durch eine manuell bedienbare Kurbel erfolgen, wie allgemein bekannt bei Schaltfeldern ähnlicher Art. Es ist dabei lediglich erforderlich, den Anker 16 hochzudrücken und damit die Va­ kuumkammer zu schließen. Danach schließt der Lasttrennschalter 12. Der Perma­ nentmagnetantrieb 14 ist dabei ähnlich aufgebaut wie jener gemäß WO 95/07542. Je­ ner Permanentmagnetantrieb hat zwei Spulen; bei der vorliegenden Erfindung mit dem Permanentmagnetantrieb wird eine der beiden Spulen weggelassen und die verblei­ bende direkt in den Strompfad oder in die Ausgangsleitungen 34, 35 des Gleichrichters 33 eingeschaltet.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, gleichgültig ob ein Permanentmagnet oder mechanische Mittel zum Festhalten der Vakuumkammer in Einschaltstellung verwendet werden, wird eine reversible elektrische Schaltvorrichtung gebildet, bei der besondere Maßnahmen und Arbeiten zum Wiedereinschalten, wie beispielsweise Austausch ir­ gendwelcher Komponenten, wie es bei der Verwendung einer Sicherung der Fall ist, nicht mehr erforderlich sind.

Claims (6)

1. Elektrische Schaltvorrichtung mit einem Trennschalter und einer mit diesem elektrisch in Reihe liegenden, auf Überstrom ansprechenden Abschalteinrichtung, die beim Abschalten zeitverzögert den Trennschalter zwecks Ausschaltens ansteuert, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abschalteinrichtung eine Vakuumkammer (13) ist, die von einem einen Anker (16, 51) eine Spule (18, 36, 52) und ein Joch (7, 50) aufwei­ senden Elektromagnetantrieb (14) betätigbar ist, daß die Spule (18, 36, 52) vom Netz­ strom angesteuert ist und daß Mittel vorgesehen sind, die den Anker (16, 51) in Ein­ schaltstellung bei Nennstrom festhalten.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (18) in Reihe mit dem Trennschalter (12) und der Vakuumkammer (13) liegt.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trans­ formator (30) vorgesehen ist, dessen Primärwicklung durch die Netzleitung (11) gebil­ det ist und dessen Sekundärwicklung (32) über einen Gleichrichter (33) mit der Spule (36) verbunden ist.

4. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zum Festhalten des Ankers (16) in Einschaltstellung durch einen Permanentmagneten (15) gebildet sind.

5. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zum Festhalten des Ankers (51) in Einschaltstellung durch mechani­ sche Rastelemente (53, 54; 55, 56) gebildet sind.

6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rast­ elemente im Anker (51) gehaltene, federnd nach außen gedrückte Kugelrastelemente (53, 54) sind, die in Einschaltstellung in Vertiefungen (55, 56) im Joch hineingedrückt sind.