DE19809828C1

DE19809828C1 - Vakuumleistungsschalter für Niederspannung

Info

Publication number: DE19809828C1
Application number: DE1998109828
Authority: DE
Inventors: Eckehard Dr Ing Gebauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-07-08
Anticipated expiration: 2018-02-28

Description

Beschreibung Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Vakuumleistungsschalter für Niederspannung sowohl in offener aber insbesondere in kompakter und formstoffgekapselter Bauweise, bei denen mit Hilfe bekannter Steuereinrichtungen eine synchronisierte Öffnung und ein synchro nisiertes Schließen der Hauptkontaktstücke innerhalb eines definierten Zeitfensters erfolgen soll.

Damit soll ein hohes Ausschaltvermögen erreicht werden und dies mit einem zu den bekannten Leistungsschaltern in Luft konkurrenzfähigem technologischen Aufwand und vergleichbaren Volumen unter Vermeidung der Nachteile der Leistungsschalter in Luft.

Gegenstand der Erfindung ist weiter die Ausbildung der hierzu einzusetzenden Vakuumchaltkammer, insbesondere zum Erreichen hoher Ausschaltvermögen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Vakuumleistungsschalter für Mittel- und Hochspannung sind seit längerem bekannt, haben sich im praktischen Einsatz sehr gut bewährt und dominieren inzwischen insbesondere im Bereich der Mittelspannungsnetze.

Trotz ihrer großen Vorteile, wie wesentlich kleinere Volumina, höhere elektrische Lebensdauer, geringere Wartung kein Austritt von ionisierten Gasen und Metalldampf aus der eigentlichen Schaltstrecke, hohe Bediensicherheit u. a. konnte sich dieses Schalt prinzip für Niederspannung, Spannungen bis 1000/1500 V, vorerst nur vereinzelt und für höhere Schalternennströme über 1000 A und für Leistungsschalter in offener Bauweise einführen.

Die Gründe hierfür sind insbesondere in den physikalischen Erscheinungsformen der Lichtbogenentladung in Vakuum zu suchen. Bei, für Leistungsschalter zu niedrigen Strömen bis zu etwa 6-8 . 10³ A, und abhängig von der Ausbildung und Konfiguration der Vakuumschaltkammer, insbesondere des Kontaktsystems mit Metalldampf-Schirm kann mit der Existenz des Vakuumbogens "Typ A" mit parallelen Katodenfußpunkten und daran sich anschließenden, jedem Katodenfußpunkt zugeordneten Teilentladungs kegel und einem diffusen Anodenansatz gerechnet werden. Besondere Vorteile dieser für Vakuumschütze besonders günstigen Form des Vakuumbogens ist ein sehr niedriger Materialabbrand an der Katode, ein Materialniederschlag an der jeweiligen Anode, damit ein sehr niedriger resultierender Abbrand, nach dem Stromnulldurchgang eine hohe elektrische wiederkehrende Festigkeit. Mit steigenden Ausschaltströmen, etwa ab 5-6 . 10³ A beginnt die Entladung sich an der Anode zu kontrahieren, es bildet sich ein ausgeprägter Einzel-Anodenfußpunkt mit großflächigem Schmelzen der Schaltstück oberfläche und mit weiter steigendem Ausschaltstrom auch eine Kontraktion des Katodenansatzes mit nachfolgendem ausgeprägten Einzel-Katodenfußpunkt und einer ausgeprägten kontrahierten Lichtbogensäule, es entsteht der Vakuumbogen "Typ B".

Damit gehen die besonderen Vorteile des Vakuumbogens "Typ A", wie niedriger Schaltstückabbrand und hohe wiederkehrende elektrische Festigkeit verloren.

Um nun für (Hochspannungs-)Leistungsschalter höhere Ausschaltströme zu realisieren, mußten Vorkehrungen getroffen werden, um ein Stehenbleiben des sich ausbildenden Vakuumbogens "Typ B" zu vermeiden und der auf magnetische Felder reagierenden kontrahierten Vakuumbogensäule eine Bewegung aufzuzwingen. Dies geschieht in der Regel durch die Ausbildung der Schaltstückanordnung in einer "Schmetterlingsform" z. B. nach Patent EP 0740321 A2, oder EP 0262906 A2 u. a., bei der der Vakuumbogen durch die Kraftwirkung der gebildeten Leiterschleife bewegt wird. Voraussetzung hierzu ist u. a. eine größere Länge der kontrahierten Vakuumbogensäule und damit eine Schaltstück öffnung von etwa 10 mm und mehr.

Auch mit dieser Anordnung waren dem erreichbaren Ausschaltvermögen Grenzen gesetzt, insbesondere durch den hohen Materialabbrand in dem ausgeprägten Einzel- Katoden und -Anodenfußpunkt und der im nachfolgenden Stromnulldurchgang noch relativ hohen Rest-Metalldampfdichte.

Eine Lösung wurde dann gefunden in der Anwendung eines axialen Magnetfeldes, mit dem eine Kontraktion der Vakuumbogenentladung an der Anode verhindert werden konnte und die günstige Form des Vakuumbogens "Typ A" bis zu sehr hohen Strömen erhalten blieb. Ausschaltströme bis über 50 - 60 . 10³ A waren damit realisierbar. Dieses axiale Magnetfeld kann entweder durch eine außerhalb der Vakuumschalt kammer angeordnete und vom auszuschaltenden Strom durchflossene Spule erzeugt werden, z. B. nach EP 0538157 B1, 0709867 A1 u. a., oder das axiale Magnetfeld wird durch geeignete Ausbildung der Schaltstücke selbst gebildet, z. B. nach EP 0329410 A2, 0381843 A2. Ebenso wurde vorgeschlagen, die erforderliche Magnetspule in ein Schalt stück selbst zu verlegen, z. B. nach EP 0747917 A2.

Diese Lösungen verlangen aber große Schaltstückdurchmesser und damit große Schalt kammervolumina, insbesondere bei Anwendung des "Schmetterlings-Schaltstücks" um den kontrahierten Vakuumbogen "Typ B" zum Laufen zu zwingen. Aber auch bei Einsatz eines axialen Magnetfeldes sind noch größere Schaltstückdurchmesser und auch ein zusätzliches Volumen für die Magnetspule außerhalb oder innerhalb der Vakuumschaltkammer zur Erzeugung dieses axialen Magnetfeldes erforderlich. Soll das axiale Magnetfeld allein durch die Schaltstückanordnung bereit gestellt werden, sind größere Schaltstückdurchmesser und Schaltkammervolumina nicht zu vermeiden.

Diese notwendigen großen Schaltkammervolumina bzw. notwendige außen liegende Magnetspulen für das axiale Magnetfeld verhindern einen Einsatz dieser bekannten Lösungen für Niederspannungsleistungsschalter. Der weiter erforderliche sehr hohe technologische Aufwand ist ein zusätzlich wesentlicher Hinderungsgrund.

Sollen die Vorzüge des Schaltens in Vakuum auch für Niederspannungsleistungs schalter nutzbar gemacht werden, mußten Lösungen gesucht werden, die ein mit Leistungsschaltern in Luft, bzw. mit deren unter atmosphärischen Bedingungen arbei tendem Schaltstück- und Lichtbogenlöschsystem, hier insbesondere formstoffgekapsel ten Leistungsschaltern in Kompaktbauweise, vergleichbares bzw. konkurrenzfähiges Gesamtvolumen erreichen lassen.

Zum Realisieren dieses Zieles war es nun notwendig, einmal Lösungen zu suchen, die auch bei Ausschalten des maximal geforderten Nennkurzschlußstromes eine Existenz des günstigen Vakuumbogens "Typ A" gewährleisten konnten und zum anderen mit einer neuen Schaltstückanordnung eine Form der Vakuumschaltkammer zu ermöglichen, die eine minimale bzw. konkurrenzfähige Breite des gesamten Lei stungsschalters erreichen ließen.

Nach bekannten Untersuchungen ist als wesentliche Voraussetzung für die Existenz des Vakuumbogens "Typ A" darauf zu achten, daß die einzelnen Teilbögen sich auf der gesamten Schaltstückoberfläche verteilen und ohne gegenseitige Behinderung brennen können. Damit kann bei einem bestimmten Schaltstückdurchmesser und damit gege bener Schaltstückfläche nur eine bestimmte Anzahl von Teillichtbögen existieren: Wobei die Anzahl dieser Teilbögen bei gegebenen Ausschaltstrom bestimmt wird durch den pro Teilbogen zu führenden Teilstrom, der wiederum durch den Schaltstückwerk stoff bestimmt wird. Einer beliebige Steigerung des Durchmessers der bisher einge setzten kreisförmigen Scheibenschaltstücke sind jedoch Grenzen gesetzt, da dann in Mitte der Schaltstückfläche eine zu große dynamische Drucksteigerung eintritt, die als Hauptursache für die dann einsetzende Kontraktion des Anodenansatzes und Bilden eines ausgeprägten Anodenfußpunktes anzusehen ist (1).

Auch optimierte Schaltstückanordnungen können zwar etwas das mögliche Ausschalt vermögen erhöhen (1), es erreichte aber trotzdem nicht die für Leistungsschalter ge wünschten Werte von z. B. 10 - 50 . 10³ A.

Zur Verringerung der Belastung der Schaltstücke und in erster Linie zur Verringerung bzw. zum Vermeiden eines resultierenden Schaltstückmaterialabbrandes und zum Erreichen einer hohen elektrischen Lebensdauer, dem Hauptcharakteristikum für Schütze, wurde bereits vorgeschlagen für die Schaltstücköffnung ein bestimmtes Zeitfenster vor dem Stromnulldurchgang vorzusehen, um den Betrag des den Abbrand verursachenden Strom-Zeitintegrals ∫ I sinωt dt zu minimieren, Grundgedanken der DE PS 41 05 697 C2 und erweitert unter Nutzung dieses Gedankens in der DE 41 05 698 C2.

Das hierbei vorgeschlagene Zeitfenster und dessen Lage für die Öffnung der Schalt stücke von 2 < t_ö< 0 ms ist jedoch für Leistungsschalter nicht von vornherein anwendbar. Im Gegensatz zu Schützen muß bei Leistungsschaltern im praktischen Einsatz mit dem Ausschalten auch kleiner Ströme, z. B. Ausschalten leerlaufender Anlagen bzw. Leitungssysteme gerechnet werden, dies könnte bei einer Schaltstücköffnung unmit telbar vor dem Stromnulldurchgang t_ö → 0 zu Stromabreißvorgängen führen, die wiede rum unerwünschte Überspannungen zur Folge hätten. Bei sehr hohen Ausschaltströmen wiederum muß gewährleistet sein, daß der Vakuumbogen "Typ A" sich aus der bei Öff nen der Schaltstücke zuerst entstehenden schmelzflüssigen Brücke aus Schaltstück werkstoff ausbilden kann, wozu etwa 0,1-0,2 ms benötigt werden.

Ziel der Erfindungsgedanken

Mit den erfindungsgemäßen Lösungen soll die Nutzung des insgesamt vorteilhaften Schaltens unter Vakuum auch für Niederspannungsleistungsschalter ermöglicht werden, durch eine wesentliche Reduzierung der Belastung der Schaltstücke innerhalb der Vakuumschaltkammer durch eine synchronsierte Öffnung der Schaltstücke inner halb eines definierten und optimalen Zeitfensters und einer neuen Gestaltung der Schaltstückanordnung und der Vakuumschaltkammer, um damit sowohl eine für Niederspannungsleistungsschalter kostenmäßig als auch vom notwendigen Schaltervo lumen her im Vergleich zu Leistungsschaltern in Luft (insbesondere in Formstoffkapse lung) konkurrenzfähige Geräte aber mit den wesentlich besseren Eigenschaften des Schaltens in Vakuum zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

In erster Näherung ist für den Vakuumbogen "Typ A" das Strom-Zeitintegral inner halb eines Zeitabschnittes ein Maß für den in dem Schaltstückzwischenraum in den einzelnen Teilentladungskegeln erzeugten Metalldampf. Dieser muß im bzw. unmit telbar nach dem Stromnulldurchgang aus dem Schaltstückzwischenraum entfernt werden, damit die notwendige wiederkehrende elektrische Festigkeit erreicht und eine Wiederzündung vermieden wird. Diese gewünschte Eigenschaft ist mit dem Vakuumbogen "Typ A" bereits bei sehr kleinen Schaltstücköffnungen von 0,3-0,5 mm erreichbar, unter Voraussetzung, daß sowohl Stromhöhe bzw. das Strom- Zeitintegral und die Schaltstückkonfiguration dies ermöglichen.

Damit die Belastung der Schaltstücke und damit die erzeugte Metalldampfmenge niedrig bleibt, soll nach den Erfindungsgedanken und nach bereits vorgeschlagener Weise die Schaltstücköffnung in einem, aber anders liegenden Zeitfenster vor dem Stromnulldurchgang erfolgen, bei dem sowohl die Belastung der Schaltstücke niedrig genug liegt als auch die Schaltstücköffnung Werte von mindestens 0,5 mm erreicht, so daß einmal die parallelen Teilentladungskegel des Vakuumbogens "Typ A" sich aus bilden und sich auf den größtmöglichen Teil der Schaltstückoberfläche ausbreiten können und zum anderen im Stromnulldurchgang eine genügend große Schaltstück öffnung vorhanden ist.

Erfindungsgemäß soll dieses Zeitfenster in dem Bereich von 2,5 < t_ö < 0,5 ms vor dem Stromnulldurchgang liegen. Die Lage dieses Zeitfensters ist in Fig. 1 anhand einer Ausschaltung eines symmetrischen dreiphasigen Netzes dargestellt. In bereits vorgeschlagener Weise, sollen hierbei die Schaltstücke in einer Bezugsphase, in der Regel bei einem 3-poligen Schalter in der Phase S in diesem Zeitfenster öffnen und die Schaltstücke in den beiden anderen Schalterpolen, Phasen R und T, bei einer Netzfre quenz von 50 Hz nach weiteren 5 ms gemeinsam und ebenfalls in einem gleichen Zeitfenster von 2,5 < t_ö < 0,5 ms öffnen.

Die nachstehende Tabelle 1 soll einen Vergleich wiedergeben, der von dem Vakuum bogen zu führenden Ladungsmenge ∫ I sinωt dt als Maß für die Schaltstückbelastung bzw. Metalldampfmenge bei für Niederspannungsleistungsschalter typischen Aus schaltströmen zwischen einer vollen Stromhalbwelle und den erfindungsgemäß vorge schlagenen Schaltstücköffnungen vor dem Stromnulldurchgang:

Tabelle 1

Insgesamt wird die Schaltstückbelastung und Metalldampferzeugung entscheidend reduziert.

Nach bekannten Untersuchungen (1) hängt nun das erreichbare Ausschaltvermögen einer Vakuumschaltkammer mit kreisförmigen Scheibenschaltstücken von deren Durchmesser bzw. der Gesamtfläche ab, Fig. 2. Es ist zu erkennen, daß eine Sättigungscharakteristik vorliegt, daß demnach dem erreichbaren Ausschaltvermögen mit einer einfachen Scheibenschaltstückanordnung Grenzen gesetzt sind.

Ursache hierfür ist, daß mit steigendem Schaltstückdurchmesser die Teilbögen der Vakuumbogenentladung sich zwar ausbilden können, daß aber durch den dann immer mehr behinderten Druckausgleich in Mitte der bisher üblichen kreisförmigen Schei benschaltstücke der temporäre Druck sich soweit aufbaut, daß es zur Kontraktion der Entladung an der jeweiligen Anode und damit zum Umschlag in den für die Ausschal tung ungünstigen Vakuumbogen "Typ B" kommt.

Auch bei einer Optimierung der Schaltstückanordnung mit einem minimalen "aktiven Schaltvolumen" (1, Fig. 7), d. h. u. a. minimale Schaltstücköffnung und minimale Abstände von dem Rand der Schaltstücke zu Schirm und weiteren Metallflächen der Schaltkammer an denen der aus dem Schaltstückzwischenraum austretende Metall dampf kondensieren kann, ist maximal ein Ausschaltvermögen von etwa 8 kA, dem nach bei einer Belastung von etwa 80 As, mit einem Schaltstückdurchmesser von etwa 50 mm erreichbar, d. h. die Existenzgrenze des Vakuumbogens "Typ A" ist erreicht.

Damit könnte von der Belastung der Schaltstücke her gesehen, mit einem Schaltstückdurchmesser von etwa 50 mm und mit der erfindungsgemäß vorge schlagenen Öffnung der Schaltstücke innerhalb des Zeitfensters von 2,5 < t_ö < 0,5 ms, bereits ein für Niederspannungsleistungsschalter mit Nennströmen von etwa 1000 A übliches Schaltvermögen von 50 kA erreicht werden.

Es muß dabei weiter beachtet werden, daß besonders bei den hohen gewünschten Aus schaltvermögen im Moment der Schaltstücköffnung noch ein relativ hoher Augen blickswert des auszuschaltenden Stromes vorliegt. Es ist daher notwendig, daß sowohl die notwendige Zeitspanne zum Ausbilden des Vakuumbogens "Typ A" als auch eine ausreichende Schaltstückoberfläche vorliegen muß.

Tabelle 2

Damit nun die notwendige Schaltstückoberfläche zur ungehinderten Ausbildung der Teilentladungskegel des Vakuumbogens "Typ A" zur Verfügung steht, aber gleich zeitig ein zu hoher temporärer Druck in Mitte der Schaltstückoberfläche vermieden wird, wird daher in Weiterführung der Erfindungsgedanken vorgeschlagen, die Schaltstücke in Form einer Ellipse auszubilden, Fig. 3.

Mit einer solchen Form der Schaltstücke wird einmal ein zu hoher temporärer Druck in Mitte der Schaltstücke vermieden, da der Abstand von Schaltstückmitte zu dem Kondensationsschirm wesentlich geringer wird, an dem der Metalldampf kondensieren und damit den Druck im Schaltstückzwischenraum herabsetzen kann. Die Schaltstück oberfläche kann dadurch gegenüber der bisher üblichen kreisförmigen Ausbildung reduziert werden.

Zum anderen ergibt sich damit ein weiterer wesentlicher, konstruktiver Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausbildung, da mit der dann schmaleren Seite einer ebenfalls ellipsenförmig ausgebildeten Vakuumschaltkammer die Gesamtbreite des Vakuum leistungsschalters soweit reduziert werden kann, so daß die üblichen Rastermaße in Schaltanlagen für Niederspannung eingehalten werden können.

Die Erfindungsgedanken sollen nachstehend anhand der in den Skizzen enthaltenen Ausführungsbeispiele weiter dargestellt werden.

Es zeigt

Fig. 1 den Stromverlauf einer Ausschaltung mit dem erfindungsgemäßen Zeitfenster in einem symmetrischen Dreiphasensystem,

Fig. 2 die prinzipielle Abhängigkeit des Ausschaltvermögens einer Vakuumschaltkam mer in Abhängigkeit vom kreisförmigen Schaltstückdurchmesser,

Fig. 3 den Querschnitt einer Vakuumschaltkammer mit der erfindungsgemäß vorge schlagenen ellipsenförmigen Ausbildung der Schaltstücke,

Fig. 4 das Längsschnittbild einer Vakuumschaltkammer.

In Fig. 1 ist mit t_öS die Lage des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zeitfensters von 2,5 < t_öS < 0,5 ms für die Öffnung der Schaltstücke 1 und 6 in der vorzugsweise zu wählenden und zuerst öffnenden Bezugsphase S (und in Mitte eines z. B. dreipoligen Schalters liegenden Kontaktbahn) angegeben. Nach Löschen des Vakuumlichtbogens in Phase S und dem dann folgenden Phasensprung der Ströme in Phase R und T sollen die Schaltstücke der Schalterpole R und T in bereits bekannter Weise bei einer Netz frequenz von 50 Hz nach 5 ms und auch in dem Zeitfenster von 2,5 < t_ö < 0,5 ms öffnen. Die Darstellung in Fig. 1 entspricht einem Verlauf der Ströme i_R i_S i_T nach weitgehendem Abklingen des Gleichstromgliedes im Kurzschlußstrom.

Die Auslösung des Schaltschlosses des Leistungsschalters durch die den Strom überwa chenden und in jedem Schalterpol angeordneten Überstrommeß- und -auslöseorgane kann nun so erfolgen, daß unabhängig von dem Entstehungsmoment des Kurzschluß stromes und Lage des Gleichstromgliedes die Schaltstücke in der Bezugsphase zuerst öffnen. Dabei könnte einmal die Steuerung des Ausschaltvorganges so erfolgen, daß die Ausschaltung erst nach weitgehendem Abklingen des Gleichstromgliedes erfolgt, aber auch bei Vorliegen des größten Gleichstromanteils im Strom der Bezugsphase i_S die Öffnung der Schaltstücke in Phase S vor einem früheren Stromnulldurchgang in dem vorgeschlagenen Zeitfenster erfolgt. Von Vorteil wäre hierbei, daß in Phase S die Belastung der Schaltstücke niedriger liegt. Der dann etwas größere Strom im Öffnungs moment in den Phasen R und T bringt für diese Schalterpole eine nur unwesentlich höhere Belastung gegenüber dem symmetrischen Fall.

Es wird daher als eine Variante vorgeschlagen, nach Ansprechen der Überstromauslöse organe und insbesondere bei hohen Kurzschlußströmen eine Zeitverzögerung von 30- 50 ms bis zum Öffnen der Schaltstücke in der Bezugsphase S vorzusehen.

Fig. 2 gibt die prinzipielle Abhängigkeit des Ausschaltvermögens einer Vakuumschalt kammer von dem Durchmesser eines kreisförmigen Schaltstückpaares wieder. Auch bei einer optimierten Anordnung ist aus den bereits beschriebenen Gründen nur ein be grenztes Ausschaltvermögen bei einer beliebigen Schaltstücköffnung außerhalb des er findungsgemäß vorgeschlagenen Zeitfensters erreichbar. Nach Tabelle 1 kann bei An wendung des erfindungsgemäßen Zeitfensters die Belastung der Schaltstückanordnung auch bei hohen Kurzschlußströmen auf die noch mögliche Größe reduziert werden, bei der unter Beachtung der notwendigen Schaltstückfläche die günstigen Eigenschaften des Vakuumbogens "Typ A" noch nutzbar sind.

Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Längsschnitt einer Vakuumschaltkammer. Mit 1 und 6 sind die Schaltstücke, mit 3 der die Schaltstücke umgebende Metallschirm, mit 2 die feste und mit 7 die über den Metallfaltenbalg bewegliche Anschlußelektrode, mit 4 die Isolierstrecke und mit 5 das in der Regel metallische Gehäuseteil gekennzeichnet.

In Fig. 3 ist in einem Querschnitt der Vakuumschaltkammer die in Erweiterung der Erfindungsgedanken vorgeschlagene ellipsenförmige Ausbildung der Schaltstücke mit Blick auf die Oberfläche des beweglichen Schaltstückes 6 dargestellt. Der Metallschirm 3 ist dabei ebenfalls in einer Ellipsenform mit einem kleinen Abstand von vorzugsweise 2-3 mm (abhängig von der Gesamtgröße der Schaltstücke) zu dem Rand des Schaltstückpaares 1 und 6 und mit der Öffnung zum metallischen Gehäuseteil 5 angeordnet. Mit einem ebenfalls kleinem Abstand der Randzone von Schirm 3 zur Bodenfläche des Gehäuseteils 5 läßt sich die günstige optimierte Anordnung nach Fig. 2 realisieren.

Erfindungsgemäß soll dabei das Verhältnis von langer "a" zu schmaler "b" Breite der elliptischen Schaltstücke zwischen 1,75 und 2,25, vorzugsweise bei 2 (a : b = 2) liegen. Wie in Fig. 4 dargestellt, können dabei vorteilhafterweise die Randzonen der Schalt stücke geringfügig abgeschrägt sein.

Um minimale Breitenabmessungen des Vakuumleistungsschalters zu erreichen, wird weiter vorgeschlagen, auch der Isolierstrecke und damit der gesamten Vakuumschalt kammer die Form einer Ellipse zu geben, Fig. 3.

In Abänderung der Darstellung nach Fig. 4 müßte dann ein der schmalen Breite der ellipsenförmigen Schaltstücke angepaßter Durchmesser des Metallfaltenbalges vorge sehen werden. Dies ist problemlos erreichbar, da Leistungsschalter im Vergleich zu Schützen eine um Größenordnung niedrigere mechanische Lebensdauer aufweisen.

In Weiterführung der Erfindungsgedanken soll die zeitlich unterschiedliche Öffnung der Schaltstücke in Phase S und den Phasen R und T durch eine im Winkel versetzte Befestigung der Betätigungshebel für die beweglichen Elektroden 7 der Vakuumschalt kammern an der Schaltwelle und damit z. B. eine unterschiedliche Schaltstücköffnung in der Phase S gegenüber R und T in ähnlich bereits vorgeschlagener Weise realisiert werden.

Damit soll weiter im Einschaltvorgang ein zeitlich versetztes Schließen der Schalt stücke erreicht werden. Dabei sollen die zuletzt öffnenden Schalterpole R und T in bereits vorgeschlagener Weise zuerst schließen und die des Schalterpoles S später und so, daß diese in einem Zeitfenster von 2 < t₀ < 2 ms vor bzw. nach dem kommenden Stromnulldurchgang t₀ in Phase S schließen.

Um eine einseitige Materialwanderung in den Schaltstückpaaren zu vermeiden, sollte die Steuerung des Schalterantriebes vorteilhaflerweise so ausgelegt werden, daß die Schaltstücköffnung in der Bezugsphase statistisch verteilt abwechselnd in der positiven und negativen Stromhalbwelle erfolgt.

In weiterer Auslegung der Erfindungsgedanken könnte in bereits vorgeschlagener Weise, wie z. B. bei strombegrenzenden Leistungsschaltern in Luft vorgesehen werden, daß die Ankopplung der beweglichen Elektroden und Schaltstücke in Aus schaltrichtung einen kleinen Freiheitsgrad so zugeordnet bekommen, daß jeder der drei Schalterpole abhängig von dem Eintrittsmoment des Kurzschlußstromes, bzw. der Schalterpol zuerst in dem erfindungsgemäßen Zeitfenster öffnet in dem das maximale Gleichstromglied des Kurzschlußstromes auftritt. Die beiden anderen Schalterpole müßten dann durch die Schaltwelle nach dem vorgeschlagenen zeitlichen Abstand und gemeinsam in dem Zeitfenster von 2,5 < t₀ < 0,5 ms vor deren Stromnulldurchgang geöffnet und gemeinsam mit dem zuerst öffnenden Schalterpol in die endgültige Ausschaltlage gebracht werden.

Dies wäre von Vorteil bei Auftreten von 2-poligen Kurzschlüssen im Netz.

Sollen Vakuumleistungsschaltern mit der erfindungsgemäßen Ausbildung vorrangig zum Schalten von Motoren eingesetzt werden, wird in bereits für Schütze bekannter Weise vorgeschlagen, eine Steuerung vorzusehen, die gewährleistet, daß die Ein schaltfreigabe für das Schaltschloß dann und so gegeben wird, daß die Schaltstücke nur dann geschlossen werden, wenn der Unterschied in der Phasenlage der Netz- zur Motorrestspannung nicht mehr als ±30° elektrisch beträgt.

Angezogene Literatur:

(1) Gebauer, E.: Design, Development and Applikation of low Voltage Vakuum Contactors based on Physical Research, Proc. International Conference on Electrical Contacts, Arcs, Apparatus and their Application, Xian, PR China, 1989

Claims

1. Vakuumleistungsschalter für Niederspannung, offen oder formstoffgekapselt mehr polig, insbesondere 3-polig mit mechanisch betätigten Schaltstückanordnungen, Über stromauslöseeinrichtungen und Steuereinrichtungen zum synchronisierten Öffnen und Schließen der Schaltstücke in einem Zeitfenster und einem zeitlich versetzten Öffnen und Schließen der Schaltstücke zweier Schalterpole gegenüber einem Bezugspol des Schalters, der zuerst öffnet, dadurch gekennzeichnet, daß für den Öffnungsvorgang der Schaltstücke 1 und 6 in den einzelnen Schalterpolen ein Zeitfenster von 2,5 < t_ö < 0,5 ms vor dem jeweiligen Stromnulldurchgang vorgesehen wird, daß ein Bezugspol, bei einem dreipoligen Schalter vorzugsweise der in der Mitte liegende Pol S zuerst öffnet und die beiden anderen Schalterpole R und T bei einer Netzfrequenz von 50 Hz nach weiteren 5 ms und dann gemeinsam in einem gleichen Zeitfenster von 2,5 < t_ö < 0,5 ms öffnen und daß die Schaltstücke 1 und 6 in den beiden, bei einem Ausschaltvorgang zuletzt öffnenden Vakuumschaltkammern in bereits vorgeschlagener Weise zuerst und die Schaltstücke 1 und 6 in der Bezugsphase (S) später und so schließen, daß dies in einem Zeitfenster von 2 < t₀ < 2 ms vor bzw. nach dem kommenden Stromnulldurchgang t₀ in Phase S erfolgt.

2. Vakuumleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Vakuumschaltkammer in bereits vorgeschlagener Weise eine Schaltstück anordnung mit Schirm und so vorgesehen wird, daß ein Abstand von 2-3 mm zwischen Rand der Schaltstücke 1 und 6 und umgebenden Metallschirm 3 entsteht, und daß die Öffnung des Metallschirmes 3 auf den Boden eines metallischen Gehäuseteils 5 gerichtet ist.

3. Vakuumleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Vakuumschaltkammer die Schaltstücke 1 und 6 und der, diese Schaltstücke umgebende Schirm 3 in Form einer Ellipse vorgesehen werden und daß das Verhältnis von langer "a" zu schmaler Breite "b" dieser Ellipse zwischen 1,75 und 2,25, vorzugsweise bei 2 liegt und daß die Randflächen der Schaltstücke 1 und 6 leicht abgeschrägt sind.

4. Vakuumleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die gesamte Vakuumschaltkammer ebenfalls eine den Schaltstücken angepaßte Form einer Ellipse erhält.

5. Vakuumleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Öffnen der Schaltstücke 1 und 6 in der Bezugsphase abwechselnd bzw. statistisch verteilt je zur Hälfte in der positiven und negativen Stromhalbwelle erfolgt.

6. Vakuumleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zuerst erfolgende Schaltstücköffnung in der Bezugsphase und die zeitlich später erfolgende Öffnung in den anderen Schalterpolen mit Hilfe mechanischer Mittel, z. B. durch eine versetzte Befestigung der Ankoppelglieder für die beweglichen Vakuum schaltkammerelektroden 7 bzw. Schaltstücke 6 realisiert wird.

7. Vakuumleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß nach Eintreten eines Über- bzw. Kurzschlußstromes und Ansprechen der Überstromaus löseeinrichtungen ein Zeitverzögerungsglied zwischengeschaltet ist, das die Freigabe bzw. Entklinkung des Schaltschlosses und damit den Beginn der Ausschaltbewegung bis zum Abklingen des Gleichstromgliedes im Kurzschlußstrom, damit um etwa 30-50 ms verzögert und die Entklinkung so steuert, daß die gewünschten Öffnungszeitpunkte eingehalten werden.

8. Vakuumleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Koppelglieder für die beweglichen Elektroden 7 der Vakuumschaltkammern in ihrer Bewegung einen Freiheitsgrad aufweisen, so daß die Schaltstücke 6 und 1 in jedem Schalterpol und kein bevorzugter bzw. fest eingestellter allein geöffnet werden kann, und daß dieser Freiheitsgrad so eingeschränkt ist, daß nach Bewegungsbeginn bzw. Öffnung der Schaltstücke eines beliebigen Schalterpoles die anderen aber unter Einhaltung der gewünschten Zeitabstände und erfindungsgemäßen Zeitfenster dann zwangsläufig durch das Schaltschloß bzw. dessen mechanische Mittel in die endgültige Ausschaltlage gebracht werden.

9. Vakuumleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Überstromauslöseorgane sowohl den Auslösebefehl an das Schaltschloß weiter geben, aber auch direkt auf das bewegliche Schaltstück 6 im Sinne einer Öffnung ein wirken können, aber gegenseitig so verriegelt sind, daß nur in dem Schalterpol, in dem der maximale Kurzschlußstrom bzw. das größte Gleichstromglied auftritt, die Schalt stücke zuerst und in einem Zeitfenster von 2,5 < t_ö < 0,5 ms vor dem ersten Stromnulldurchgang geöffnet werden und die beiden anderen Schalterpole zeitlich versetzt über die Ankopplung an die Schaltwelle vor deren gemeinsamen Strom nulldurchgang und in dem gleichen Zeitfenster von 2,5 < t_ö < 0,5 ms geöffnet werden und daß dabei auch das Schaltstück 6 in dem jeweilig erst öffnenden Schalterpol durch die Schaltschloßbewegung in die endgültige Ausschaltlage mitgenommen wird.

10. Vakuumleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß im Einschaltvorgang ein zeitlich versetztes Schließen der Schaltstücke 1 und 6 erfolgt, wobei die Schaltstückanordnungen in den zuletzt öffnenden Schalterpolen R und T zuerst schließen und die im Pol S später und diese in einem Zeitfenster von 2 < t₀ < 2 ms vor bzw. nach dem kommenden Stromnulldurchgang t₀ in Phase S schließen.

11. Vakuumleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 8 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß bei Einschalten alle Schalterpole gleichzeitig schließen.

12. Vakuumleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Schalten von Motoren ein Einschaltvorgang mit Hilfe einer Steuereinrichtung nur dann erfolgt, wenn der Unterschied in der Phasenlage der Netzspannung zur Motorrestspannung nicht mehr als ±30 ^o elektrisch beträgt.