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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung mit einem
Trennschalter und einer mit diesem elektrisch in Reihe liegenden,
auf Überstrom ansprechenden
Abschalteinrichtung, die beim Abschalten zeitverzögert den
Trennschalter ausschaltet.
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Es
ist eine elektrische Schaltvorrichtung bekannt geworden, bei der
in Reihe mit einem Lasttrennschalter eine Sicherung geschaltet ist.
Diese Sicherung, die als Schmelzsicherung ausgebildet ist, spricht
bei Überströmen an und
unterbricht den Strompfad dadurch, daß die Sicherung durchschmilzt.
Sie besitzt einen Zapfen, der bei Ansprechen aus dem Sicherungsgehäuse herausspringt und
auf einen Hebel schlägt,
der über
einen 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.
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Wenn
die Schaltstrecke wieder geschlossen werden soll, dann muß zunächst die
Sicherung 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 Schaltvorrichtung
in einem SF6-gasisolierten Schaltfeld untergebracht
ist, dann muß die
Sicherung außerhalb
des SF6-Gasraumes untergebracht sein.
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Das
Auswechseln der Sicherung ist zeitaufwendig, da Personal unmittelbar
benötigt
wird.
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Es
wurde vorgeschlagen, in Reihe zu einem Lasttrennschalter einen strombegrenzenden
Widerstand zu schalten, der eine positive Temperaturcharakteristik
aufweist. Tatsächlich
ausgeführte
Einrichtungen im Mittelspannungsbereich sind aber noch nicht bekannt
geworden.
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Aus
der
DE 3611270 C2 ist
eine Schalteinrichtung für
hohe Schaltspannungen bekannt, die aus mindestens zwei, in Reihe
geschalteten, Schaltern bestehen. Dabei wird in an sich vorteilhafter
Weise eine Spannungsverteilung für
den Schaltvorgang vorgesehen, was einen positiven Einfluss auf das Löschprinzip
hat.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Schaltvorrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, die einerseits alle technischen Anforderungen erfüllt und andererseits
auch kostengünstig
ist.
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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.
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Erfindungsgemäß also werden
ein Lasttrennschalter und eine Vakuumkammer in Reihe geschaltet,
wobei die mechanische Abstimmung des Antriebes sowohl der Vakuumkammer
als auch des Lasttrennschalters so ist, wie bei der bekannten Reihenschaltung
eines Lasttrennschalters mit der Sicherung: beim Ausschalten muß zunächst die
Vakuumkammer den Strom abschalten und danach öffnet der Lastschalter stromlos.
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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
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hat
und daß danach
der Lasttrennschalter etwa nach 60 ms in Öffnungsstellung gebracht wurde.
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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 Problem, daß je
nach Polarität
des Stromes der Antrieb erst bei der zweiten Halbwelle öffnet; 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.
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Der
besondere Vorteil der Anordnung besteht darin, daß eine preisgünstige Vakuumkammer 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
gefordert, weil dieses beim Lasttrennschalter erfüllt ist.
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Die
Wirkungsweise der elektrischen Schaltvorrichtung ist wie folgt:
bei Auftreten eines Kurzschlusses wird über den Permanentmagnetantrieb, je
nachdem, ob ein Gleichrichter dazwischen geschaltet ist oder nicht,
die Vakuumkammer spätestens
in der zweiten Halbwelle ausgeschaltet; aufgrund der Mechanik, mit
der der Lasttrennschalter geöffnet
wird, öffnet
der Lasttrennschalter deutlich nach Abschaltung des Stromes, d.
h. stromlos.
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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.
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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 Öffnung
auf dem Außenumfang
hineingedrückt
werden; wenn der Nennstrom durchfließt, wird durch die Kugelrastelemente
der Anker in Einschaltstellung gehalten; bei Überstrom wird die Verrastungskraft überwunden,
so daß die
Vakuumkammer und damit auch der Lasttrennschalter in Ausschaltstellung
gehen kann.
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Anhand
der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen und Verbesserungen und weitere Vorteile näher erläutert und
beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1 und 2 zwei
unterschiedliche Schaltstellungen der erfindungsgemäßen elektrischen
Schaltvorrichtung,
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3 eine
Schaltungsanordnung zum Ansteuern der Spule, und
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4 und 5 eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung mit mechanischen Verrastungsmitteln in Einschaltstellung
und Ausschaltstellung.
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An
einer Sammelschienenleitung 10, die ein- oder mehrphasig
ausgebildet sein kann, ist ein Abzweig 11 angeschlossen,
in dem sich ein Lasttrennschalter 12 und eine Vakuumkammer 13 befinden. Die
Vakuumkammer 13 wird von einem Permanentmagnetantrieb 14 angetrieben,
der einen ortsfest angeordneten Permanentmagneten 15, einen
bewegbaren Anker 16, ein Joch 17 und eine Spule 18 umfaßt. Bei
der Ausführung
nach 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 verbunden ist, ist eine Ausschaltfeder 20 angeschlossen,
die den Anker in Ausschaltrichtung beaufschlagt. Mit dem Anker 16 ist über eine
an sich bekannte Übertragungsmechanik 21 die
Verklinkungsfreigabe für
das bewegliche Kontaktstück
des Lasttrenn schalters 12 gekoppelt, und zwar derart, daß der Lasttrennschalter
erst nach Ausschalten der Vakuumkammer 13 ausschaltet.
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Die
Wirkungsweise der Anordnung gemäß 1 ist
wie folgt:
die durch den Magnetfluß des Permanentmagneten hervorgerufene
Kraft hält
die eingeschaltete Stellung- der Vakuumkammer aufrecht, auch wenn
die bei Nennstrom durchflossene Spule ein Gegenfeld aufbaut.
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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
Ausschalten.
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Wenn
nun die Vakuumkammer 13 in Öffnungsstellung verbracht ist
und damit der Strom in der Netzleitung 11 abgeschaltet
ist, dann wird über den
zeitverzögernden
Hebelmechanismus auch der Lasttrennschalter in Ausschaltstellung
verbracht; der Lasttrennschalter 12 schaltet dann stromlos
aus.
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In
der 1 und 2 ist der Hebelmechanismus 21 durch
einen um einen Drehpunkt 22 drehbaren Doppelarmhebel 23,
ein Verbindungsglied 24 und ein mechanisches Auslöseglied 25 gebildet,
welches eine Verklinkungsstelle umfaßt, die nach Entklinken das
bewegliche Kontaktstück
des Lasttrennschalters 12 in Öffnungsstellung bringt.
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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
gegenüber
der Vakuumkammer der Lastschalter 12 eingeschaltet.
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Die
Hebelmechanik 21 ist an sich bekannt.
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Bei
der Ausführung
nach den 1 und 2, bei der
die Spule 18 in der Netzleitung 11 liegt, besteht
das Problem, daß je
nach Polarität
des Kurzschlußstromes
der Permagnentmagnetantrieb 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 Primärwicklung
durch die Neztleitung 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.
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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 iSt steuert die Spule 36 an,
nachdem er im Gleichrichter 33 gleichgerichtet ist. Auf
diese Weise wird die Spule 36 schon in der ersten Halbwelle bei
Auftreten eines Überstromes
erregt. Die in der 3 nicht gezeigten Teile entsprechen
denen der Anordnung nach den 1 und 2.
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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.
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Der
Permanentmanget 15 bewegt sich dabei nicht, sondern hat
die Aufgabe, die Schaltvorrichtung in Einschaltstellung zu halten.
Die Ausschaltfeder 20 unterstützt dabei die Ausschaltbewegung
beim Anfang.
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Bei
der Ausführung
gemäß 1 wird
die eingeschaltete Stellung der Vakuumkammer 13 durch diejenige
Kraft aufrechterhalten, die aus dem Permanentmagnetfeld des Permanentmagneten 15 hervorgerufen
wird.
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Anstatt
einer Permanentmagnethaltung können
auch mechanische Rastelemente vorgesehen sein, die beispielhaft
in den 4 und 5 dargestellt sind.
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Der
Antrieb gemäß 4 umfaßt ein Joch 50,
welches dem Joch 17 der 1 entspricht.
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
hineingedrückt
sind. Die Kugeln 53 und 54 befinden sich in nicht
näher dargestellten
Radialbohrungen innerhalb des Ankers 51. Wenn der Nennstrom
IN durch die Spule hindurchfließt, dann
alten die Rastkugeln 53 und 54 den Anker in der
in 4 dargestellten Einschaltstellung fest. Wenn nun
ein Überstrom
ansteht, dann überwindet
die Anzugskraft 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 Anker 51 hineingleiten können, so daß der Anker 51 in Ausschaltstellung
gemäß Pfeilrichtung
PA bewegt wird. Mit anderen Worten: die
kugelförmigen,
federnd gelagerten Verklinkungselemente 53 und 54,
die auf dem Anker 51 angeordnet sind, verrasten gemäß 4 in
den Vertiefungen 55, 56 und sichern so die eingeschaltete
Stellung der Vakuumkammer, auch wenn die Spule vom Nennstrom IN 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 5 gezeigte Ausschaltrichtung bewegt wird und die
Vakuumkammer öffnet.
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In
den 4 und 5 sind die übrigen Komponenten des Antriebes
gemäß den 1 bis 3 sowie
des Lastschalters nicht näher
dargestellt, da sie hierzu identisch sind.
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Es
lassen sich auch weitere Verklinkungselemente denken, die im Rahmen
des Gegenstandes der Erfindung liegen.
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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
strombegrenzende Elemente (z. B. Widerstände) in den Kreis geschaltet
werden.
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Aufgrund
der Mechanik bzw. des Hebelmechanismus in Verbindung mit dessen
Massenträgheit wird
der Lastschalter ca. 60 ms bis 70 ms nach Ausschalten der Vakuumkammer 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.
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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 Vakuumkammer zu schließen. Danach schließt der Lasttrennschalter 12.
Der Permanentmagnetantrieb 14 ist dabei ähnlich aufgebaut
wie jener gemäß WO 95/07542.
Jener Permanentmagnetantrieb hat zwei Spulen; bei der vorliegenden
Erfindung mit dem Permanentmagnetantrieb wird eine der beiden Spulen
weggelassen und die verbleibende direkt in den Strompfad oder in
die Ausgangsleitungen 34, 35 des Gleichrichters 33 eingeschaltet.
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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 irgendwelcher Komponenten, wie es bei
der Verwendung einer Sicherung der Fall ist, nicht mehr erforderlich sind.