DE19912713A1

DE19912713A1 - Stromleitersperreinrichtung

Info

Publication number: DE19912713A1
Application number: DE1999112713
Authority: DE
Inventors: Rene Gilles; Klaus-Dieter Weltmann
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-03-20
Filing date: 1999-03-20
Publication date: 2000-09-21

Abstract

Insbesondere bei Hochspannungsleistungsschaltern ist es erwünscht, deren stromdurchflossene Schaltkontakte (1, 3) erst dann zu trennen, wenn ein Wechselstrom durch diese Schaltkontakte seinen Nulldurchgang hat. Dadurch bleibt ein Abbrand der Schaltkontakte gering. Ein elektrisch gutleitendes Sperrglied (4) wird durch eine Federkraft F3 einer Feder (11) und durch eine magnetische Kraft F2, welche auf Grund des Stromes durch die Schaltkontakte (1, 3) unmittelbar auf das stromleitende Sperrglied (4) wirkt, in eine Ausnehmung (7) in einem Stromleiter (3) gedrückt und dieser dadurch arretiert. Wenn von einer nicht dargestellten, übergeordneten Steuereinrichtung zu einem beliebigen Zeitpunkt eine äußere Trennkraft F1 zum Trennen der Stromkontakte (1, 3) auf den Stromleiter (3) in Trennrichtung übertragen wird, dann erfolgt deren Trennung erst dann, wenn F1 > F3 + F2 È tan (alpha) ist. Der Neigungswinkel alpha einer schrägen Stromkontaktfläche (A1') des Stromleiters (3) wird so gewählt, daß die obige Ungleichung dann erfüllt ist, wenn der Betrag des fließenden Stromes kleiner als ein vorgebbarer Stromgrenzwert ist. Anstelle des stromleitenden Sperrgliedes (4) kann auch ein Ferromagnet verwendet werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Stromleitersperreinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der Veröffentlichung von Prof. Klaus Fröhlich, CONTROLLED SWITCHING - A REPORT ON THE CURRENT SITUATION, CIGRE REGIONAL MEETING SOUTH EAST ASIA AND WESTERN PACIFIC, 1997, S. 357-366, bekannt ist. Dort wird in Abhängigkeit von dem an einem Stromschalter erfaßten Spannungsgradienten dessen günstigster Ausschaltzeitpunkt berechnet, um einen möglichst geringen Abbrand an den Stromkontakten des Stromschalters zu erreichen. Eine derartige Ausschaltsteuerung ist relativ störanfällig und aufwendig.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Stromleitersperreinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß eine Freigabe der Sperre ohne Softwaresteuerung ermöglicht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Störanfälligkeit einer derartigen Stromleitersperreinrichtung verringert und damit deren Betriebssicherheit erhöht ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können bei Hochspannungsleistungsschaltern Kosten gespart werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Signaldiagramm für die Phasenlage eines zu schaltenden Stromes,

Fig. 2 eine Stromleitersperre mit einem elektrisch leitenden Sperrglied,

Fig. 3 eine Kontakttulpe als Kontaktsperre von Stromkontakten eines Hochspannungsleistungsschalters sowie

Fig. 4 und 5 Stromleitersperren mit ferromagnetischen Sperrgliedern.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt in einer Prinzipdarstellung den zeitlichen Verlauf eines elektrischen Stromes I durch einen nicht dargestellten Stromschalter in dessen Einschaltzustand, wobei auf der Ordinate der Strom (I) und auf der Abszisse die Zeit (t) in willkürlichen Einheiten aufgetragen sind.

Wenn von einer nicht dargestellten, übergeordneten Steuereinrichtung ein Stromabschaltsignal bzw. ein Schalteröffnungssignal zu einem beliebigen Zeitpunkt an diesen Stromschalter geliefert wird, so soll dieser erst dann seine Stromkontakte öffnen, wenn der Strom (I) seinen Nulldurchgang hat. Damit erreicht man einen geringen Abbrand der Stromkontakte, einen definierten Abschaltzeitpunkt und einen geringen Bedarf an Löschgasdruck zum Löschen eines Abschaltlichtbogens. Um dies wenigstens annähernd zu erreichen, wird zu einem Freigabezeitpunkt (t1), wenn der Betrag des Stromes (I) einen vorgebbaren Stromgrenzwert I_g unterschreitet, das Öffnen des Stromschalters freigegeben.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung den Stromkontaktbereich eines Hochspannungsleistungsschalters mit einer Stromleitersperreinrichtung in dessen Schließzustand. In der dargestellten Position steht eine ortsfeste 1. Elektrode bzw. ein 1. Stromkontakt bzw. ein 1. Stromleiter (1) des Hochspannungsleistungsschalters in elektrisch gutleitendem Gleitkontakt mit einem Ende eines gegenüber dem 1. Stromleiter (1) beweglichen kreiszylindrischen Kontaktstiftes bzw. einer 2. Elektrode bzw. eines 2. Stromkontaktes bzw. eines 2. Stromleiters (3) mit einer Symmetrie- bzw. Längsachse (2). Der 2. Stromleiter (3) weist umfangseitig eine Ausnehmung (7) mit trapezförmigem Querschnitt mit einer 1. schrägen Stromkontaktfläche (A1'), welche mit der Längsachse (2) einen spitzen Neigungswinkel (α) bildet, und eine 2. schräge Stromkontaktfläche (A2') mit einem kleineren Neigungswinkel bezüglich der Längsachse (2) auf. In dieser Ausnehmung (7) befindet sich ein Riegel bzw. ein keilförmiges, stromleitendes Sperrglied (4) mit trapezförmigem Querschnitt in dessen Eingriffsteil. Dieser Eingriffsteil weist eine 1. schräge Stromkontaktfläche (A1) und eine 2. schräge Stromkontaktfläche (A2) auf, welche die gleiche Neigung wie die 1. schräge Stromkontaktfläche (A1') bzw. die 2. schräge Stromkontaktfläche (A2') der Ausnehmung (7) haben. Dieses stromleitende Sperrglied (4) wird durch eine Druckfeder bzw. Feder (11), welche sich gegen ein Sperrgehäuse (12) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff abstützt, mit einer vorgebbaren Federkraft (F3), orthogonal zur Längsachse (2), gegen den 2. Stromleiter (3) gedrückt.

In diesem angedrückten Zustand fließt ein durch den 1. Stromleiter (1) und den 2. Stromleiter (3) fließender Strom (I) auch durch das stromleitende Sperrglied (4) und drückt dieses mit einer magnetischen Kraft (F2), orthogonal zur Längsachse (2), gegen den 2. Stromleiter (3). Man nutzt dabei den Effekt aus, daß sich stromführende Teile magnetisch anziehen, wenn der Strom (I) in die gleiche Richtung fließt.

Wenn von einer nicht dargestellten, übergeordneten Steuereinrichtung zu einem beliebigen Zeitpunkt eine äußere Trennkraft (F1) zum Trennen der Stromkontakte (1, 3) auf den 2. Stromleiter (3) in Trennrichtung übertragen wird, dann erfolgt deren Trennung erst dann, wenn die äußere Trennkraft F1 größer als die Summe der Kraftkomponenten von Federkraft F3 und magnetischer Kraft F2 in Gegenrichtung zu dieser äußeren Trennkraft (F1) ist, d. h., wenn
|F1| < |F3 + F2|.tan (α)
ist. Der Neigungswinkel α wird so eingestellt bzw. gewählt, daß die obige Ungleichung dann erfüllt ist, wenn |I| < I_g ist. Damit wird erreicht, daß der Strom (I) wenigstens annähernd bei dessen Nulldurchgang abgeschaltet wird, nachdem ein Abschaltsignal beim Hochspannungsleistungsschalter eingetroffen und die äußere Trennkraft (F1) wirksam ist.

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung den Stromkontaktbereich eines Hochspannungsleistungsschalters in dessen Schließzustand mit einer Kontakttulpe (9) als Kontaktsperre. Die Kontakttulpe (9) ist endseitig an einem axial geschlitzten Rohr (8) als 1. Elektrode angeordnet; sie weist einen im Querschnitt trapezförmigen Kontaktbereich mit einer 1. schrägen Stromkontaktfläche (A1) und einer nicht geneigten 2. Stromkontaktfläche (A3) auf. Der stiftförmige 2. Stromleiter (3) weist endseitig einen Arretierkopf (10) mit im Querschnitt trapezförmigen Verbreiterungen (6) mit einer 1. schrägen Stromkontaktfläche (A1') auf, welche den gleichen Neigungswinkel (α) bezüglich der Längsachse (2) wie die 1. schräge Stromkontaktfläche (A1) der Kontakttulpe (9) aufweist. Die 2. Stromkontaktfläche (A3) der Kontakttulpe (9) steht in elektrisch gutleitendem Kontakt mit einer 2. Stromkontaktfläche (A3') am Umfang des 2. Stromleiters (3), direkt angrenzend an dessen Arretierkopf (10). Im dargestellten Einschaltzustand des Hochspannungsleistungsschalters wirken eine Federkraft (F3) und eine magnetische Kraft (F2) über die Kontakttulpe (9) auf den 2. Stromleiter (3), wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Eine Trennung der Stromkontakte (8, 3) ist erst dann möglich, wenn, wie in Fig. 2, |F1| < |F3 + F2|.tan (α) ist.

Fig. 4 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Querschnittsdarstellung eine Stromleitersperreinrichtung mit einem Stromleiter (3) in Sperrposition. Die Stromleitersperreinrichtung entspricht derjenigen gemäß Fig. 2, wobei anstelle des dortigen stromleitenden Sperrgliedes (4) hier ein ferromagnetischer Riegel bzw. ein Ferromagnet (5) vorgesehen ist. Der Ferromagnet (5) wird auf Grund eines radial inhomogenen Magnetfeldes um den stromdurchflossenen Stromleiter (3) gegen diesen gedrückt, orthogonal zu dessen Längsachse (2). Eine Bewegung des Stromleiters (3) in Richtung der äußeren Trennkraft (F1) ist erst dann möglich, wenn, wie dort,
|F1| < |F3 + F2|.tan (α) ist.

Fig. 5 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Querschnittsdarstellung eine Stromleitersperreinrichtung mit einem Stromleiter (3) in Sperrposition, ähnlich derjenigen gemäß Fig. 4. Der Stromleiter (3) weist 1. und 2. Flüssigkeitskammern (13, 15) mit angrenzenden 1. und 2. Strömungskanälen (14, 16) auf, welche in der dargestellten Sperrposition durch einen Riegel bzw. Schieber bzw. durch ein Ventilstellglied (18) gegenseitig verschlossen und in einem nicht dargestellten Bewegungsfreigabezustand des Stromleiters (3) miteinander in Verbindung stehen. Als Flüssigkeit wird vorzugsweise Öl verwendet. Das Ventilstellglied (18) ist mechanisch mit einem Ferromagneten (17) verbunden, der auf Grund des radial inhomogenen Magnetfeldes um den stromdurchflossenen Stromleiter (3) gegen diesen gedrückt wird, orthogonal zu dessen Längsachse (2). Die Kraftwirkung (F3) einer Zugfeder (19), welche zwischen dem Ferromagneten (17) und dem Sperrgehäuse (12) eingesetzt ist, wirkt entgegengesetzt zur magnetischen Kraft (F2). Die Bewegungssperre für den Stromleiter (3) wird dann aufgehoben, wenn |F3| < |F2| ist. Die Federkraft (F3) wird so eingestellt, daß die obige Ungleichung dann erfüllt ist, wenn der Betrag des Stromes (I) durch den Stromleiter (3) den vorgebbaren Stromgrenzwert (I_g) unterschreitet. Dann wird das Ventilstellglied (18) in seine Öffnungsposition gebracht bzw. der Schieber (18) nach oben gezogen und der Stromleiter (3), bei Vorhandensein einer äußeren Trennkraft (F1), in deren Richtung bewegt.

Es versteht sich, daß bei den Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Fig. 4 und 5 der Stromleiter (3) ein Schaltkontakt eines Stromschalters sein kann.

BEZEICHNUNGSLISTE

1

1. Stromleiter, 1. Elektrode, 1. Stromkontakt

2

Längsachse von

3

beweglicher 2. Stromleiter, Kontaktstift, 2. Elektrode, 2. Stromkontakt

4

keilförmiges, stromleitendes Sperrglied, Riegel

5

,

17

Ferromagnete, ferromagnetische Riegel

6

trapezförmige Verbreiterung von

10

7

Ausnehmung

8

axial geschlitztes Rohr, 1. Elektrode

9

Kontakttulpe von

8

, Sperrglied

10

Arretierkopf von

3

11

Feder, Druckfeder

12

Sperrgehäuse

13

,

15

1. bzw. 2. Flüssigkeitskammer

14

,

16

1. bzw. 2. Strömungskanal

18

Ventilstellglied, Ventilverriegelung, Riegel, Schieber

19

Feder, Zugfeder
A1, A2 schräge Stromkontaktflächen von

5

bzw.

9

A1', A2' schräge Stromkontaktflächen von

3

bzw.

6

A3 Stromkontaktfläche von

9

A3' Stromkontaktfläche von

3

F1 äußere Trennkraft
F2 magnetische Kraft
F3 Federkraft
I Strom
I_g

Stromgrenzwert
t Zeit
t1 Freigabezeitpunkt für

5

,

9

,

18

α Neigungswinkel von A1, A1'

Claims

1. Stromleitersperreinrichtung

a) mit einem beweglichen Stromleiter (3), der mit dieser Stromleitersperreinrichtung in Wirkverbindung steht,

dadurch gekennzeichnet,

a) daß ein elektromagnetisch unmittelbar ansprechendes, mechanisches Sperrglied (4, 5, 9, 18) vorgesehen ist, das eine Bewegung des Stromleiters (3) nur dann gestattet, wenn der Betrag eines elektrischen Stromes (I) durch diesen Stromleiter (3) einen vorgebbaren Stromgrenzwert (I_g) unterschreitet.

2. Stromleitersperreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrglied (4, 5, 9, 18) mit einer elastischen Feder (11, 19) mit einer vorgebbaren Federkraft (F3) in Wirkverbindung steht.

3. Stromleitersperreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrglied (5, 18) ferromagnetisch ist oder mit einem Ferromagneten (17) mechanisch in Verbindung steht.

4. Stromleitersperreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrglied (4, 9) ein guter elektrischer Leiter ist.

5. Stromleitersperreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrglied (4, 5, 9) mindestens eine schräge Stromkontaktfläche (A1) aufweist, längs welcher eine schräge Stromkontaktfläche (A1') des Stromleiters (3) gleitfähig ist.

6. Stromleitersperreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schräge Stromkontaktfläche (A1') des Stromleiters (3) einen vorgebbaren Neigungswinkel α bezüglich einer Längsachse (2) dieses Stromleiters (3) aufweist, der so gewählt ist, daß tan (α) < |F1|/|F2 + F3| ist, mit: F1 = vorgebbare äußere Trennkraft in Bewegungs- oder Trennrichtung des Stromleiters (3), F2 = magnetische Kraftwirkung auf das Sperrglied (4, 5, 9, 18) bei einem vorgebbaren Stromgrenzwert (I_g) des elektrischen Stromes (I), bei welchem eine Bewegung oder Kontakttrennung des Stromleiters (3) beginnen soll, und F3 = Federkraft einer bzw. der Feder (11, 19), welche auf das Sperrglied (4, 5, 9, 18) wirkt.

7. Stromleitersperreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrglied (18) als Ventilverriegelung ausgeführt ist.

8. Stromleitersperreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (3) ein Schaltkontakt eines Hochspannungsleistungsschalters ist.