DE19958646A1 - Hybridleistungsschalter - Google Patents
HybridleistungsschalterInfo
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Abstract
Dieser Hybridleistungsschalter weist mindestens zwei in Reihe geschaltete, von einem gemeinsamen Antrieb oder von separaten Antrieben betätigte, mit unterschiedlichen Löschmedien gefüllte Löschkammern auf. Es sind Mittel vorgesehen, die im Verlaufe eines Schaltvorgangs eine sinnvolle Spannungsverteilung über die erste und die zweite Löschkammer gewährleisten. Als zweite Löschkammer ist mindestens eine Vakuumschaltkammer mit einem Isoliergehäuse (46) vorgesehen. Es soll ein Hybridleistungsschalter geschaffen werden, der preisgünstig zu erstellen ist und der eine hohe Verfügbarkeit aufweist. Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass Mittel vorgesehen sind, welche beim Ausschaltvorgang stets einen zeitlichen Vorlauf der Bewegung der ersten Löschkammer gegenüber der zweiten Löschkammer und beim Einschaltvorgang stets einen zeitlichen Vorlauf der Bewegung der zweiten Löschkammer gegenüber der ersten Löschkammer sicherstellen. Die zweite Löschkammer ist mit einem ohmschen Widerstand starr überbrückt, welcher als auf die Innenwand oder die Außenwand des Isoliergehäuses (46) der zweiten Löschkammer aufgebrachter Widerstandsbelag (47) ausgebildet ist.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Hybridleistungsschalter
gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Schrift EP 0 847 586 B1 ist ein
Hybridleistungsschalter bekannt, der in einem elektrischen
Hochspannungsnetz eingesetzt werden kann. Dieser
Hybridleistungsschalter weist zwei in Reihe geschaltete
Löschkammern auf, von denen eine erste mit SF6-Gas als Lösch-
und Isoliermedium gefüllt ist, und eine zweite als
Vakuumschaltkammer ausgebildet ist. Die zweite Löschkammer ist
aussen von SF6-Gas umgeben. Die Hauptkontakte der beiden
Löschkammern werden über ein Hebelgetriebe von einem
gemeinsamen Antrieb simultan betätigt. Beide Löschkammern
weisen eine Leistungsstrombahn, in welcher die abbrandfesten
Hauptkontakte liegen, und parallel dazu eine Nennstrombahn
auf, wobei diese Nennstrombahn nur eine einzige
Unterbrechungsstelle aufweist. Beim Ausschalten wird stets
zuerst die Nennstrombahn unterbrochen, worauf der
abzuschaltende Strom auf die Leistungsstrombahn kommutiert.
Die Leistungsstrombahn führt dann den Strom weiter bis zu
dessen definitiver Abschaltung.
Bei diesem Hybridleistungsschalter brennt der beim Abschalten
stets auftretende Lichtbogen in der Vakuumschaltkammer etwa
während der gleichen Zeitdauer wie in der gasgefüllten ersten
Löschkammer, was zur Folge hat, dass die Hauptkontakte der
Vakuumschaltkammer einer vergleichsweise hohen und lange
andauernden Strombelastung und damit verbunden einer hohen
Abnutzung unterworfen sind, was vergleichsweise häufig
Revisionsarbeiten erforderlich macht, wodurch die
Verfügbarkeit des Hybridleistungsschalters eingeschränkt wird.
Dieser Hybridleistungsschalter benötigt eine vergleichsweise
hohe Antriebsenergie, da, je nach dem in der gasgefüllten
ersten Löschkammer verwendeten Schaltprinzip, der Antrieb ganz
oder teilweise den für die intensive Beblasung des Lichtbogens
nötigen hohen Gasdruck erzeugen muss. Ein derartiger besonders
kräftig ausgelegter Antrieb ist vergleichsweise teuer.
Nach dem Erlöschen des Lichtbogens verteilt sich die über
diesem Hybridleistungsschalter auftretende wiederkehrende
Spannung entsprechend der Eigenkapazitäten der beiden
Löschkammern auf diese Löschkammern auf. Dies hat zur Folge,
dass die zweite, als Vakuumschaltkammer ausgebildete,
Löschkammer mit einem zu grossen Anteil der wiederkehrenden
Spannung beaufschlagt wird, sodass diese zweite Löschkammer im
Anstieg der wiederkehrenden Spannung durchzündet. Dieses
Durchzünden kann bei einer Ausschaltung mehrmals auftreten.
Das Durchzünden kann unerwünschte Schwingungsvorgänge im
Hochspannungsnetz auslösen verbunden mit unerwünschten
Spannungsanstiegen. Zudem werden durch das Durchzünden die
Abbrandkontakte der Vakuumschaltkammer zusätzlich beansprucht,
sodass ihre Lebensdauer verkürzt wird.
Aus der Offenlegungsschrift DE 31 31 271 A1 ist ein
Hybridschalter bekannt, bei dem die Spannungsverteilung über
die beiden Schaltkammern mittels einer Kapazität, die parallel
zur ersten, mit einem Gas isolierten und beblasenen
Schaltkammer, geschaltet ist, und mittels eines nichtlinearen
Widerstands, der parallel zur zweiten, als Vakuumschaltkammer
ausgebildeten Schaltkammer, geschaltet ist. Beim Anstieg der
wiederkehrenden Spannung unmittelbar nach der Unterbrechung
des Lichtbogens stellen diese beiden Bauelemente sicher, dass
zunächst die Vakuumschaltkammer mit dem grösseren Teil dieser
wiederkehrenden Spannung beaufschlagt wird und diesen hält.
Später übernimmt dann die erste Schaltkammer den grösseren
Anteil der anliegenden Spannung. Diese beiden Bauelemente für
die Steuerung der Spannungsverteilung benötigen ein
vergleichsweise grosses Volumen im Inneren des
Schaltergehäuses des Hybridschalters, sodass dieser ein
vergleichsweises grosses und infolgedessen auch teures
Schaltergehäuse benötigt.
Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen
gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen
Hybridleistungsschalter zu schaffen, der preisgünstig zu
erstellen ist und der eine hohe Verfügbarkeit aufweist.
Bei diesem Hybridleistungsschalter wird der erste steile
Anstieg der wiederkehrenden Spannung im wesentlichen von der
zweiten, als Vakuumschaltkammer ausgebildeten Löschkammer
gehalten. Die Wiederverfestigung der Löschstrecke der ersten
Löschkammer darf demnach hier vergleichsweise langsam
erfolgen, was bedeutet, dass die Beblasung der ersten
Löschkammer wesentlich weniger intensiv sein darf als bei
herkömmlichen Leistungsschaltern. Für die Bereitstellung des
für die Beblasung des Lichtbogens nötigen druckbeaufschlagten
Gases muss also wesentlich weniger Energie aufgewendet werden.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu
sehen, dass der Hybridleistungsschalter bei gleichem
Leistungsschaltvermögen mit einem wesentlich schwächeren und
damit preisgünstigeren Antrieb ausgerüstet werden kann. Ferner
sind die in diesem Hybridleistungsschalter in der ersten
Löschkammer auftretenden Drücke wesentlich geringer als bei
herkömmlichen Leistungsschaltern, sodass auch die Isolierrohre
und die übrigen druckbeaufschlagten Teile für geringere
Belastungen ausgelegt werden können, wodurch eine
wirtschaftlichere Ausgestaltung des Hybridleistungsschalters
möglich ist. Ferner wirkt es sich vorteilhaft aus, dass die
Strömungsgeschwindigkeit des in der ersten Löschkammer den
Lichtbogen kühlenden Gases wegen der hier benötigten
wesentlich weniger intensiven Beblasung im Unterschallbereich
liegen kann, da dadurch die Menge des für die Beblasung
bereitzustellenden druckbeaufschlagten Gases vergleichsweise
klein gehalten werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu
sehen, dass die Abbrandkontakte der zweiten Löschkammer, die
hier als Vakuumschaltkammer ausgebildet ist, wegen der
kürzeren Dauer der Strombelastung beim Ausschalten und wegen
des Vermeidens des wiederholten Durchzündens beim Anstieg der
wiederkehrenden Spannung eine grössere Lebensdauer aufweisen,
was eine vorteilhaft verbesserte betriebliche Verfügbarkeit
des Hybridleistungsschalters zur Folge hat.
Der Hybridleistungsschalter ist mit mindestens zwei in Reihe
geschalteten, von einem gemeinsamen Antrieb oder von separaten
Antrieben betätigten, mit unterschiedlichen Löschmedien
gefüllten Löschkammern versehen, wobei das Lösch- und
Isoliermedium der ersten Löschkammer die zweite Löschkammer
isolierend umgibt. Es sind Mittel vorgesehen, welche beim
Ausschaltvorgang eine technisch sinnvolle Spannungsverteilung
über die beiden Löschkammern gewährleisten. Ferner sind Mittel
vorgesehen, welche beim Ausschaltvorgang einen zeitlichen
Vorlauf der Bewegung der ersten Löschkammer gegenüber der
Bewegung der zweiten Löschkammer sicherstellen. Beim
Einschaltvorgang schliesst die zweite Löschkammer stets vor
der ersten Löschkammer. Als Lösch- und Isoliermedium der
ersten Löschkammer wird ein Gas oder ein Gasgemisch verwendet.
Als zweite Löschkammer ist mindestens eine Vakuumschaltkammer
vorgesehen. Für die zweite Löschkammer können jedoch auch
andere Schaltprinzipien eingesetzt werden.
Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren
Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche
lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines stark vereinfacht
dargestellten Hybridleistungsschalters im eingeschalteten
Zustand, bei welcher der Lichtbogen in der ersten Löschkammer
durch in einer Kolben-Zylinder-Anordnung komprimiertes Gas
beblasen wird,
Fig. 2 diese Ausführungsform des stark vereinfacht
dargestellten Hybridleistungsschalters im ausgeschalteten
Zustand, und
Fig. 3 einen stark vereinfachten Schnitt durch eine
Ausführungsform der in dem Hybridleistungsschalter
eingesetzten Vakuumschaltkammer.
Bei allen Figuren sind gleich wirkende Elemente mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Alle für das unmittelbare Verständnis
der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind nicht
dargestellt bzw. nicht beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt eine stark vereinfacht dargestellte erste
Ausführungsform eines Hybridleistungsschalters 1 im
eingeschalteten Zustand. Dieser Hybridleistungsschalter 1
weist zwei in Reihe geschaltete Löschkammern 2 und 3 auf, die
hier entlang einer gemeinsamen Längsachse 4 erstreckt montiert
und konzentrisch zu dieser angeordnet sind. Es ist durchaus
möglich, die Löschkammern 2 und 3 bei anderen
Ausführungsformen dieses Hybridleistungsschalters 1 auf
verschiedenen, gegeneinander abgewinkelten Längsachsen
anzuordnen. Es ist sogar vorstellbar, dass bei der Variante
mit abgewinkelten Längsachsen diese Längsachsen nicht nur in
einer Ebene oder in zwei parallel zueinander angeordneten
Ebenen liegen, sondern auch, dass diese Ebenen sich unter
einem konstruktiv sinnvollen Winkel schneiden.
Der Hybridleistungsschalter 1 wird von einem nicht
dargestellten Antrieb über ein Antriebsgestänge 5, welches aus
elektrisch isolierendem Material besteht, angetrieben. Als
Antrieb kann ein herkömmlicher Kraftspeicherantrieb vorgesehen
werden. Es ist aber auch möglich, einen elektronisch
regelbaren Gleichstromantrieb ohne die Zwischenschaltung eines
Kraftspeichers einzusetzen. Diese Ausführungsvariante ist als
besonders wirtschaftlich anzusehen und zudem ermöglicht sie
es, mit einfachen Mitteln die Kontaktgeschwindigkeiten des
Hybridleistungsschalters 1 an die jeweiligen besonderen
betrieblichen Anforderungen anzupassen. Zwischen den beiden
Löschkammern 2 und 3 ist ein Getriebe 6 angeordnet, welches
die Bewegungen der beiden Löschkammern 2 und 3 miteinander
verknüpft und die Bewegungsabläufe technisch sinnvoll
aufeinander abstimmt.
Das Antriebsgestänge 5 wird durch einen die Löschkammern 2 und
3 des Hybridleistungsschalters 1 tragenden Stützisolator 7
gegen Umwelteinflüsse geschützt. Der Stützisolator 7 ist
erdseitig druckdicht mit dem nicht dargestellten Antrieb
verbunden, löschkammerseitig ist er mit einem metallischen
Flansch 8 versehen, der mit einem ersten metallischen
Anschlussflansch 9 verschraubt ist. Über den Anschlussflansch
9 wird die Antriebsseite der Löschkammer 2 mit dem
elektrischen Netz verbunden. Mit dem Anschlussflansch 9 ist
ferner ein erster Endflansch 10 eines Löschkammergehäuses 11
verschraubt. Das Löschkammergehäuse 11 ist zylinderförmig,
druckdicht und elektrisch isolierend ausgebildet, es erstreckt
sich entlang der Längsachse 4 und umgibt die beiden
Löschkammern 2 und 3 und das Getriebe 6. Das
Löschkammergehäuse 11 weist auf der dem ersten Endflansch 10
gegenüberliegenden Seite einen zweiten metallischen Endflansch
12 auf, der mit einem zweiten metallischen Anschlussflansch 13
verschraubt ist. Über den Anschlussflansch 13 wird die dem
Antrieb abgewandte Seite der Löschkammer 3 mit dem
elektrischen Netz verbunden. Zwischen dem Endflansch 12 und
dem Anschlussflansch 13 wird eine metallische Tragplatte 14
gehalten.
Der Anschlussflansch 9 ist starr und elektrisch leitend
verbunden mit dem zylindrisch ausgebildeten metallischen
Tragrohr 15, welches konzentrisch zur Längsachse 4 angeordnet
ist. Das Tragrohr 15 weist nicht dargestellte Öffnungen auf,
die dem Gasaustausch zwischen dem Inneren des Tragrohrs 15 und
dem übrigen Löschkammervolumen dienen. Der antriebsseitige
innere Teil des Tragrohrs 15 dient als Führung für ein
Führungsteil 16, welches mit dem Antriebsgestänge 5 verbunden
ist und dieses gegen das Tragrohr 15 abstützt. Das
Führungsteil 16 ist so ausgebildet, dass es den Hub h1 des
Antriebsgestänges 5 begrenzt, wenn der Hybridleistungsschalter
1 in Ausschaltstellung ist.
Das Antriebsgestänge 5 ist stirnseitig mit einem metallischen
Kontaktrohr 17 verbunden, welches einen ersten beweglichen
Leistungskontakt der ersten Löschkammer 2 darstellt. Der
Schaft des Kontaktrohrs 17 weist nicht dargestellte Öffnungen
auf, die dem Gasaustausch zwischen dem Inneren des
Kontaktrohrs 17 und dem Inneren des Tragrohrs 15 dienen. Das
Kontaktrohr 17 ist auf der dem Antrieb abgewandten Seite mit
federnden Abbrandfingern 18 versehen, die tulpenförmig
angeordnet sind. Die Abbrandfinger 18 umschliessen und
kontaktieren einen metallischen Abbrandstift 19. Der
Abbrandstift 19 ist im Zentrum der Löschkammer 2 axial
erstreckt und axial beweglich angeordnet. Der Abbrandstift 19
bewegt sich stets entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des
Kontaktrohrs 17. Der Abbrandstift 19 stellt den zweiten
beweglichen Leistungskontakt der ersten Löschkammer 2 dar.
Das Tragrohr 15 weist auf der dem Antrieb abgewandten Seite
eine Verjüngung 20 auf und eine Führungspartie 21, die das
Kontaktrohr 17 führt. Die Führungspartie 21 ist innen mit
nicht dargestellten Spiralkontakten versehen, die den
einwandfreien Stromübergang vom Tragrohr 15 auf das
Kontaktrohr 17 ermöglichen. Auf der Verjüngung 20 gleitet
aussen eine metallische Düsenhalterung 22, die antriebsseitig
mit Gleitkontakten 23 ausgestattet ist, die einen
einwandfreien Stromübergang vom Tragrohr 15 auf die
Düsenhalterung 22 ermöglichen.
Die Düsenhalterung 22 umschliesst ein Kompressionsvolumen 24.
Das Kompressionsvolumen 24 wird antriebsseitig durch ein
Rückschlagventil 25 abgeschlossen, welches durch die
Führungspartie 21 gehalten wird. Das Rückschlagventil 25 weist
eine Ventilscheibe 26 auf, die bei einem Überdruck im
Kompressionsvolumen 24 den Austritt des komprimierten Gases in
das für die beiden Löschkammern 2 und 3 gemeinsame
Löschkammervolumen 27 verhindert. Auf der entgegengesetzten
Seite des zylindrisch ausgebildeten Kompressionsvolumens 24
ist ein weiteres, in der Düsenhalterung 22 gehaltenes,
Rückschlagventil 28 vorgesehen, dessen Ventilscheibe 29 bei
einem Überdruck im Kompressionsvolumen 24 den Austritt des
komprimierten Gases aus diesem Kompressionsvolumen 24 erlaubt.
In der Düsenhalterung 22 ist auf der dem Antrieb abgewandten
Seite eine Isolierdüse 30 gehalten. Die Isolierdüse 30 ist
konzentrisch um den Abbrandstift 19 angeordnet. Das
Kontaktrohr 17, die Düsenhalterung 22 und die Isolierdüse 30
bilden eine einstückige Baugruppe. Das Düsenengnis ist
unmittelbar vor den Abbrandfingern 18 angeordnet und die
Isolierdüse 30 öffnet sich in die den Abbrandfingern 18
entgegengesetzte Richtung. Die Düsenhalterung 22 weist auf der
Aussenseite eine als Kontaktstelle ausgelegte Verdickung 31
auf. Auf dieser Verdickung 31 liegen im eingeschalteten
Zustand der Löschkammer 2 Gleitkontakte 32 auf. Diese
Gleitkontakte 32 sind verbunden mit einem zylindrisch
ausgebildeten metallischen Gehäuse 33, welches durch ein
ortsfest montiertes metallisches Führungsteil 34 gehalten
wird. In einer zentralen Bohrung des Führungsteils 34 sind
nicht dargestellte Gleitkontakte vorgesehen, die das
Führungsteil 34 mit dem Abbrandstift 19 elektrisch leitend
verbinden. Von dem Führungsteil 34 geht die Strombahn, wie
eine Wirkungslinie 35 andeutet, über ein Anschlussteil 44
weiter zum beweglichen Kontakt 36 der zweiten Löschkammer 3.
Auf der dem Antrieb abgewandten Seite der Isolierdüse 30 ist
an dieser eine elektrisch isolierende Haltescheibe 37 starr
befestigt. Die Haltescheibe 37 kann jedoch auch aus einem
Metall gefertigt sein, wenn die dielektrischen Verhältnisse in
diesem Bereich das zulassen. In diese Haltescheibe 37 ist eine
Zahnstange 38 eingeschraubt, die sich parallel zur Längsachse
4 erstreckt und die das Getriebe 6 betätigt. Die Zahnstange 38
steht mit zwei Zahnrädern 39 und 40 im Eingriff, sie wird
durch eine Stützrolle 41 gegen diese Zahnräder 39 und 40
gedrückt. In den Schaft des durch das Führungsteil 34
geführten Abbrandstifts 19 ist eine mit Zähnen versehene Nut
eingelassen, in welche das Zahnrad 39 eingreift. Eine weitere
Stützrolle 42 drückt den Schaft des Abbrandstifts 19 gegen das
Zahnrad 39. Das Zahnrad 40 betätigt über einen mit ihm
beweglich gekoppelten Hebel 43 die zweite Löschkammer 3. Der
Hebel 43 ist mit dem Anschlussteil 44 gekoppelt, welches
elektrisch leitend mit dem beweglichen Kontakt 36 der zweiten
Löschkammer 3 verbunden ist.
Die zweite Löschkammer 3 ist hier schematisch als
Vakuumschaltkammer dargestellt. Es ist beispielsweise möglich,
die Schaltstelle dieser Löschkammer 3 auch mittels anderer
Schaltprinzipien zu realisieren. Die Löschkammer 3 ist vom
isolierenden Medium, welches das gemeinsame Löschkammervolumen
27 füllt, umgeben. Die Löschkammer 3 weist einen feststehenden
Kontakt 45 auf, der mit der Tragplatte 14 elektrisch leitend
verbunden ist. Die Tragplatte 14 dient der Fixierung der
Löschkammer 3. Die Löschkammer 3 weist ein Isoliergehäuse 46
auf, welches das Innere der Löschkammer 3 vom
Löschkammervolumen 27 druckdicht abtrennt. Hier ist das
Isoliergehäuse 46 teilweise aufgeschnitten dargestellt.
Die Wand des Isoliergehäuses 46 ist mit einem Widerstandsbelag
47 versehen. Dieser, für die beim Ausschalten notwendige
Steuerung der Verteilung der wiederkehrenden Spannung über den
beiden Löschkammern 2 und 3 vorgesehene, Widerstandsbelag 47
kann auf der inneren oder auf der äusseren Oberfläche des
Isoliergehäuses 46 aufgebracht sein. Durch diese günstige,
sehr platzsparende Ausgestaltung des Widerstandsbelags 47
können die Abmessungen der zweiten Löschkammer 3 vorteilhaft
klein gehalten werden. Der ohmsche Widerstand des
Widerstandsbelags 47 liegt hier im Bereich zwischen 10 kΩ und
500 kΩ, als besonders günstig hat sich der Widerstandswert von
100 kΩ erwiesen.
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der zweiten Löschkammer
3, die hier als Vakuumschaltkammer ausgebildet ist, in stark
vereinfachter Darstellung. Diese Vakuumschaltkammer ist mit
einem zylinderförmig ausgebildeten, elektrisch leitenden
Schirm 49 versehen, der Schaltrückstände von dem
Isoliergehäuse 46 bzw. vom Widerstandsbelag 47 fernhält. Der
Schirm 49 ist mittels einer elektrisch leitenden Brücke 50 mit
der potentialmässigen Mitte des Widerstandsbelags 47
verbunden, er liegt beim Ausschalten definiert auf diesem
Potential. Die Kontaktierung der Brücke 50 mit dem
Widerstandsbelag 47 erfolgt mittels eines auf den
Widerstandsbelag 47 aufgetragenen Leitlacks. Es sind jedoch
auch Ausführungsvarianten ohne diese Brücke 50 vorstellbar.
Der Widerstandsbelag 47 kann streifenförmig auf der inneren
oder äusseren Oberfläche des Isoliergehäuses 46 aufgebracht
sein, es kann jedoch auch dessen gesamte Oberfläche mit dem
Widerstandsbelag 47 beschichtet sein.
Der Widerstandsbelag 47 weist hier eine Matrix aus Epoxidharz
auf, in welche, gleichmässig verteilt, Russ und kugelförmige
Glaspartikel eingelagert sind. Der Russ dient als elektrischer
Leiter, mit der Menge des beigemischten Russes wird der
Widerstandswert des Widerstandsbelags 47 eingestellt. Die
kugelförmigen Glaspartikel dienen als Füllstoff, sie haben die
Aufgabe, den Ausdehnungskoeffizienten des Widerstandsbelags 47
demjenigen des Isoliergehäuses 46 anzugleichen, um zu
vermeiden, dass sich beim Auftreten von Wärmedehnungen der
Widerstandsbelag 47 vom Isoliergehäuse 46 ablöst. Der
Widerstandsbelag 47 kann vorgefertigt und dann in das
Isoliergehäuse 46 eingeklebt, bzw. aussen aufgeklebt werden,
er kann aber auch als Paste auf die jeweilige Oberfläche des
Isoliergehäuses 46 aufgetragen und danach ausgehärtet werden,
wobei er sehr gut auf dem Material des Isoliergehäuses 46
haftet. Das hier eingesetzte Isoliergehäuse 46 ist aus einem
Keramikmaterial gefertigt, es sind jedoch auch andere
Isoliermaterialien vorstellbar. Beim Aushärtungsvorgang wird
dann das Isoliergehäuse 46 mit erwärmt.
Das für die Matrix des Widerstandsbelags 47 verwendete
Giessharz kann aus einer der Gruppen der anhydridgehärteten
Epoxidharze, der ungesättigten Polyesterharze, der Acrylharze
und der Polyurethanharze stammen. Es ist aber auch möglich,
ein elektrisch leitfähiges Silikonharz mit entsprechend
eingestellter Leitfähigkeit als Widerstandsbelag 47
einzusetzen. Die als Füllstoff dienenden kugelförmigen
Glaspartikel weisen einen Durchmesser von 1 µm bis 50 µm auf,
mit einer guten mittleren Verteilung im Bereich zwischen 10 µm
und 30 µm. Vorteilhaft werden kugelförmige Glaspartikel
verwendet, die bereits mit einem Haftvermittler beschichtet
sind, da dann die Verbindung zwischen der Giessharzmatrix und
den kugelförmigen Glaspartikeln besonders innig ist, sodass
ein sehr homogener Widerstandsbelag 47 entsteht. In
Kombination mit den kugelförmigen Glaspartikeln oder auch ohne
diese sind andere mineralische und sonstige anorganische
Füllstoffe einsetzbar.
Das gemeinsame Löschkammervolumen 27 ist mit einem elektrisch
isolierend wirkenden, elektronegativen Gas oder Gasgemisch
gefüllt, welches sowohl als Löschmedium für die erste
Löschkammer 2 als auch als Isoliermedium dient. Der Fülldruck
liegt hier im Bereich von 3 bar bis 22 bar, vorzugsweise
werden 9 bar Fülldruck vorgesehen. Als Lösch- und
Isoliermedium werden reines SF6-Gas oder ein Gemisch von
N2-Gas mit SF6-Gas eingesetzt. Es ist aber auch möglich, hier
ein Gemisch aus Druckluft bzw. aus N2-Gas und anderen
elektronegativen Gasen einzusetzen. Besonders bewährt haben
sich Gasgemische mit einem Anteil von 5% bis 50% SF6-Gas.
Im eingeschalteten Zustand führt der Hybridleistungsschalter 1
den Strom über folgende, als Nennstrombahn bezeichnete
Strombahn: Anschlussflansch 9, Tragrohr 15, Düsenhalterung 22,
Gehäuse 33, Führungsteil 34, Wirkungslinie 35, Anschlussteil
44, beweglicher Kontakt 36, feststehender Kontakt 45,
Tragplatte 14 und Anschlussflansch 13. Es ist aber auch
möglich, insbesondere dann, wenn der Hybridleistungsschalter 1
für vergleichsweise hohe Nennströme ausgelegt werden muss,
auch parallel zur zweiten Löschkammer 3 eine separate, für
hohe Nennströme geeignete Nennstrombahn vorzusehen.
Wenn der Hybridleistungsschalter 1 einen Ausschaltbefehl
erhält, so bewegt der nicht dargestellte Antrieb das
Kontaktrohr 17 und mit diesem die Isolierdüse 30 nach links.
Zugleich mit dieser Bewegung bewegt sich der Abbrandstift 19
angetrieben durch die Zahnstange 38 über das Zahnrad 39, in
entgegengesetzter Richtung nach rechts, während das Gehäuse 33
und das Führungsteil 34 ortsfest bleiben. Sobald die
Verdickung 31 der Düsenhalterung 22 sich von den
Gleitkontakten 32 des Gehäuses 33 getrennt hat, ist die oben
angegebene Nennstrombahn unterbrochen und der abzuschaltende
Strom kommutiert nun auf die innen liegende
Leistungsstrombahn. Die Leistungsstrombahn führt durch
folgende Schalterteile: Anschlussflansch 9, Tragrohr 15,
Führungspartie 21, Kontaktrohr 17, Abbrandstift 19,
Führungsteil 34, Wirkungslinie 35, Anschlussteil 44,
beweglicher Kontakt 36, feststehender Kontakt 45, Tragplatte
14 und Anschlussflansch 13.
Das Kontaktrohr 17 und mit diesem die Isolierdüse 30 bewegt
sich nach dem Unterbrechen der Nennstrombahn weiter nach
links, und der Abbrandstift 19 bewegt sich mit der gleichen
Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung weiter. Im
Verlaufe dieses Bewegungsablaufs erfolgt danach die
Kontakttrennung in der Leistungsstrombahn. Diese
Kontakttrennung hat zur Folge, dass sich zwischen den
Abbrandfingern 18 und der Spitze des Abbrandstifts 19 in einem
dafür vorgesehenen Lichtbogenraum 48 ein Lichtbogen ausbildet.
Bis zu diesem Zeitpunkt bleibt die zweite Löschkammer 3 in der
Regel geschlossen. Sie öffnet erst nach einer zeitlichen
Verzögerung Tv, die durch folgende Beziehung definiert wird:
Tv = (tLibo min - t1) ms.
Dabei ist tLibo min die für die mit Gas beblasene Löschkammer 2
minimal mögliche Lichtbogenzeit in ms, die durch die Netzdaten
des jeweiligen Einsatzorts des Hybridleistungsschalters 1 und
die Eigenschaften des Hybridleistungsschalters 1,
beispielsweise durch dessen Eigenzeit, bestimmt wird. Die Zeit
t1 liegt im Bereich von 2 ms bis 4 ms. Diese zeitliche
Verzögerung Tv wird zwangsweise durch das Getriebe 6 erzeugt.
Die zweite Löschkammer 3 hat auch einen wesentlich kleineren
Hub h2 als die Löschkammer 2, wie aus der Fig. 2 ersichtlich
ist.
Während der Ausschaltbewegung der ersten Löschkammer 2 wird
das im Kompressionsvolumen 24 befindliche Gas oder Gasgemisch
komprimiert, das Rückschlagventil 25 verhindert das Austreten
des komprimierten Gases auf der der Isolierdüse 30 abgewandten
Seite des Kompressionsvolumens 24 in das gemeinsame
Löschkammervolumen 27. Durch das Rückschlagventil 28 strömt
bereits eine vergleichsweise geringe Menge des komprimierten
Gases in den Lichtbogenraum 48 ein, wenn die dort herrschenden
Druckverhältnisse das erlauben. Der Durchmesser des Engnisses
der Isolierdüse 30, der Durchmesser des Abbrandstifts 19, der
am Anfang der Ausschaltbewegung noch einen wesentlichen Teil
dieses Düsenengnisses, und auch den Abströmquerschnitt durch
die Abbrandfinger 18, verschliesst, und der innere Durchmesser
des Kontaktrohrs 17 sind so aufeinander abgestimmt, dass
während der Beblasung des Lichtbogens immer genügend Gas bzw.
Gemisch aus nicht ionisiertem und ionisiertem Gas aus dem
Lichtbogenraum 48 abgeführt wird, sodass sich dort nur ein im
Vergleich zu konventionellen Leistungsschaltern wesentlich
kleinerer Gasdruck aufbauen kann. Die Höhe dieses Gasdrucks
wird so festgelegt, dass die Abströmgeschwindigkeit aus dem
Lichtbogenraum 48 in der Regel im Bereich unterhalb der
Schallgrenze liegt. Infolge dieser vergleichsweise kleinen
Drücke im Lichtbogenraum 48 kann der Druckaufbau im
Kompressionsvolumen 24 ebenfalls vergleichsweise klein
gehalten werden, sodass für die Kompression lediglich eine
vergleichsweise kleine Antriebsenergie benötigt wird. Im
Vergleich zu konventionellen Leistungsschaltern kann hier beim
Hybridleistungsschalter 1, bedingt durch die kleineren
Gasdrücke beim Ausschalten, vorteilhaft ein schwächerer und
damit billigerer Antrieb eingesetzt werden.
Unmittelbar nach der Kontakttrennung in der Leistungsstrombahn
gibt der Abbrandstift 19 einen grösseren Teil des Querschnitts
des Engnisses der Isolierdüse 30 als Abströmquerschnitt frei.
Bei vergleichsweise kleinen Abschaltströmen beginnt bereits
bei der Kontakttrennung die Beblasung des im Lichtbogenraum 48
brennenden Lichtbogens. Das Lösch- und Isoliermedium strömt
während dieser Beblasung stets mit einer
Strömungsgeschwindigkeit die im Bereich unterhalb der
Schallgeschwindigkeit liegt. Beim Abschalten von grösseren
Strömen, wie sie beispielsweise beim Abschalten von
Kurzschlüssen im Netz auftreten können, heizt der Lichtbogen
den Lichtbogenraum 48 und das in ihm vorhandene Gas so
intensiv auf, dass der Druck in diesem Raum etwas höher ist,
als der Druck im Kompressionsvolumen 24. In diesem Fall
verhindert das Rückschlagventil 28, dass das aufgeheizte und
druckbeaufschlagte Gas in das Kompressionsvolumen 24 strömt
und dort gespeichert werden kann. Das aufgeheizte und
druckbeaufschlagte Gas strömt stattdessen einerseits durch das
Innere des Kontaktrohrs 17 und andererseits durch die
Isolierdüse 30 ab in das gemeinsame Löschkammervolumen 27. Die
Beblasung des Lichtbogens setzt in diesem Fall erst dann ein,
wenn die Intensität des Lichtbogens und damit der Druck im
Lichtbogenraum 48 soweit abgeklungen ist, dass das
Rückschlagventil 28 öffnen kann, d. h. der Druck im
Kompressionsvolumen 24 ist dann höher als der Druck im
Lichtbogenraum 48. Das Lösch- und Isoliermedium strömt auch in
diesem Fall während der Beblasung des Lichtbogens mit einer
Strömungsgeschwindigkeit die im Bereich unterhalb der
Schallgeschwindigkeit liegt.
Bei dieser Ausführungsform des Hybridleistungsschalters 1 ist
der Lichtbogenraum 48 der ersten Löschkammer 2 so ausgelegt,
dass ein sehr geringes Totvolumen vorhanden ist, sodass keine
nennenswerte Speicherung von vom Lichtbogen selbst erzeugten
druckbeaufschlagtem Gas erfolgen kann, und infolgedessen auch
keine nennenswerte Unterstützung der Beblasung des Lichtbogens
durch selbst erzeugtes druckbeaufschlagtes Gas erfolgt, denn
nur so ist es möglich, eine Strömungsgeschwindigkeit im
Unterschallbereich bei der Beblasung des Lichtbogens zu
gewährleisten.
Wenn die Löschkammern 2 und 3 den Lichtbogen gelöscht haben,
tritt zwischen den Abbrandfingern 18 und dem Abbrandstift 19
der Löschkammer 2, bzw. zwischen dem beweglichen Kontakt 36
und dem feststehenden Kontakt 45 Löschkammer 3 jeweils ein
Teil der wiederkehrenden Spannung auf. Die Schaltstrecke der
Vakuumschaltkammer verfestigt sich unmittelbar nach dem
Löschen stets rascher als die Schaltstrecke eines
Gasschalters, sodass die Vakuumschaltkammer am Anfang des
steilen Anstiegs der wiederkehrenden Spannung den grösseren
Teil dieser Spannung übernehmen wird. Die Aufteilung der
wiederkehrenden Spannung auf zwei in Reihe geschaltete
Löschkammern wird im Normalfall durch die Eigenkapazitäten der
beiden Löschkammern bestimmt. Hier stellt jedoch der
vergleichsweise hochohmige Widerstand des Widerstandsbelags
47, der parallel zur zweiten Löschkammer 3 angeordnet ist,
genau definiert sicher, dass die Aufteilung der
wiederkehrenden Spannung auf die beiden Löschkammern 2 und 3
so erfolgt, dass zunächst der grössere Anteil der
wiederkehrenden Spannung an der zweiten Löschkammer 3 anliegt.
Erst im weiteren Verlauf des Ausschaltvorgangs übernimmt dann
die erste Löschkammer 2 den überwiegenden Anteil der
wiederkehrenden Spannung, die dann den Hybridleistungsschalter
1 gesamthaft beaufschlagt. Im ausgeschalteten Zustand des
Hybridleistungsschalters 1 hält die erste Löschkammer 2 den
überwiegenden Anteil der anliegenden Spannung. Bei der
Auslegung dieser ohmschen Spannungssteuerung wird darauf
geachtet, dass in der zweiten Löschkammer 3 im Anstieg der
wiederkehrenden Spannung keine Wiederzündungen auftreten
können.
In der Fig. 2 ist der Hybridleistungsschalter 1 in
ausgeschaltetem Zustand dargestellt. Beim Einschalten des
Hybridleistungsschalters 1 schliesst stets zuerst die zweite
Löschkammer 3, und zwar ohne Strombeaufschlagung. Dieser
zeitliche Vorlauf wird durch das Getriebe 6 sichergestellt.
Erst nachdem die zweite Löschkammer 3 geschlossen ist, bewegen
sich die beiden beweglichen Kontakte der Leistungsstrombahn
der ersten Löschkammer 2 aufeinander zu. Wenn die
entsprechende Vorzünddistanz erreicht ist, bildet sich ein
Einschaltlichtbogen aus und schliesst den Stromkreis. Die
beiden beweglichen Kontakte der Leistungsstrombahn der
Löschkammer 2 bewegen sich weiter aufeinander zu bis sie sich
kontaktieren. Erst danach wird die Nennstrombahn geschlossen
und übernimmt die weitere Stromführung durch die Löschkammer
2. Die beiden beweglichen Kontakte der Leistungsstrombahn der
Löschkammer 2 bewegen sich noch etwas weiter bis sie
schliesslich die definitive Einschaltstellung erreicht haben.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich bei diesem
Hybridleistungsschalter 1, dass die zweite Löschkammer 3
stromlos einschaltet und deshalb beim Einschalten keinem
Kontaktabbrand und auch keinem Kontaktkleben infolge von
Verschweissungen von überhitzten Kontaktoberflächen
unterworfen ist. Die Kontakte 36 und 45 brauchen, normale
Betriebsverhältnisse vorausgesetzt, während der Lebensdauer
des Hybridleistungsschalters 1 nicht ersetzt zu werden, was
den betrieblichen Unterhalt des Hybridleistungsschalters 1
vorteilhaft vereinfacht und dessen betriebliche Verfügbarkeit
vorteilhaft vergrössert.
Als erste Löschkammer 2 können ausser der beschriebenen, mit
einem Kompressionsvolumen 24 für die Erzeugung des für die
Beblasung des Lichtbogens nötigen druckbeaufschlagten Gases
versehenen Ausführungsform, weitere Ausführungsformen
eingesetzt werden, wie beispielsweise: eine Löschkammer mit
einem separaten Speichervolumen für die Speicherung des durch
Lichtbogenunterstützung erzeugten Gasanteils, welches mit dem
Kompressionsvolumen zusammenwirkt, oder eine Löschkammer mit
einem nur teilweise komprimierbaren Speichervolumen für die
Speicherung des durch Lichtbogenunterstützung erzeugten
Gasanteils, oder eine Löschkammer mit einem nur teilweise
komprimierbaren Blasvolumen, bei der das druckbeaufschlagte
Gas völlig ohne Lichtbogenunterstützung erzeugt wird.
Bei jeder dieser Ausführungsformen des
Hybridleistungsschalters 1 wird die zweite Löschkammer 3 beim
Ausschalten ebenfalls gegenüber der ersten Löschkammer 2
zeitlich verzögert geöffnet und beim Einschalten zeitlich
vorlaufend geschlossen, wie dies bereits beschrieben wurde.
Ferner können bei jeder der hier beschriebenen
Ausführungsformen die Antriebskräfte beim Ausschalten mittels
eines Differentialkolbens zusätzlich unterstützt werden. Durch
diese Massnahme kann auf einfache Weise der Bedarf an
mechanischer Antriebsenergie weiter reduziert und der Antrieb
weiter verbilligt werden.
Bei den vorab beschriebenen Ausführungsformen des
Hybridleistungsschalters 1 hat es sich als besonders
vorteilhaft ergeben, dass, abhängig von dem SF6-Gehalt in der
Gasfüllung der Löschkammer 2, gegenüber konventionellen
Leistungsschaltern ein um den Faktor 5 bis 15 geringerer
Löschdruck in der Löschkammer 2 erforderlich ist. Der Antrieb
und auch die übrigen Bauelemente können deshalb für geringere
Kraft- und Druckbelastungen ausgelegt werden, was den
Hybridleistungsschalter 1 vorteilhaft verbilligt.
1
Hybridleistungsschalter
2
,
3
Löschkammer
4
Längsachse
5
Antriebsgestänge
6
Getriebe
7
Stützisolator
8
Flansch
9
Anschlussflansch
10
Endflansch
11
Löschkammergehäuse
12
Endflansch
13
Anschlussflansch
14
Tragplatte
15
Tragrohr
16
Führungsteil
17
Kontaktrohr
18
Abbrandfinger
19
Abbrandstift
20
Verjüngung
21
Führungspartie
22
Düsenhalterung
23
Gleitkontakte
24
Kompressionsvolumen
25
Rückschlagventil
26
Ventilscheibe
27
Löschkammervolumen
28
Rückschlagventil
29
Ventilscheibe
30
Isolierdüse
31
Verdickung
32
Gleitkontakte
33
Gehäuse
34
Führungsteil
35
Wirkungslinie
36
beweglicher Kontakt
37
Haltescheibe
38
Zahnstange
39
,
40
Zahnrad
41
,
42
Stützrolle
43
Hebel
44
Anschlussteil
45
feststehender Kontakt
46
Isoliergehäuse
47
Widerstandsbelag
48
Lichtbogenraum
49
Schirm
50
Brücke
Claims (14)
1. Hybridleistungsschalter (1) mit mindestens zwei in Reihe
geschalteten, von einem gemeinsamen Antrieb oder von separaten
Antrieben betätigten, mit unterschiedlichen Löschmedien
gefüllten Löschkammern (2, 3), wobei das Lösch- und
Isoliermedium einer ersten Löschkammer (2) eine zweite
Löschkammer (3) isolierend umgibt, wobei Mittel vorgesehen
sind, die im Verlaufe eines Schaltvorgangs eine sinnvolle
Spannungsverteilung über die erste (2) und die zweite
Löschkammer (3) gewährleisten, und wobei als Lösch- und
Isoliermedium der ersten Löschkammer (2) ein
druckbeaufschlagtes Gas oder ein Gasgemisch verwendet wird,
während als zweite Löschkammer (3) mindestens eine
Vakuumschaltkammer mit einem Isoliergehäuse (46) vorgesehen
ist, dadurch gekennzeichnet,
- - dass Mittel vorgesehen sind, welche beim Ausschaltvorgang stets einen zeitlichen Vorlauf der Bewegung der ersten Löschkammer (2) gegenüber der Bewegung der zweiten Löschkammer (3) und beim Einschaltvorgang stets einen zeitlichen Vorlauf der Bewegung der zweiten Löschkammer (3) gegenüber der Bewegung der ersten Löschkammer (2) sicherstellen,
- - dass die zweite Löschkammer (3) mit einem ohmschen Widerstand starr überbrückt ist, und
- - dass der ohmsche Widerstand als auf die Innenwand oder die Aussenwand des Isoliergehäuses (46) der zweiten Löschkammer (3) aufgebrachter Widerstandsbelag (47) ausgebildet ist.
2. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
- - dass der Wert des ohmschen Widerstands im Bereich zwischen 10 und 500 kΩ liegt, dass er vorzugsweise jedoch 100 kΩ beträgt.
3. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet,
- - dass der Widerstandsbelag (47) als streichfähige Paste mit einer aushärtbaren Giessharzmatrix in das Isoliergehäuse (46) eingebracht oder aussen aufgebracht und beim Aushärten mit diesem verbunden wird.
4. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet,
- - dass der Widerstandsbelag (47) als vorgefertigtes Teil mit einer ausgehärteten Giessharzmatrix eingebracht oder aufgebracht und mit dem Isoliergehäuse (46) verbunden ist.
5. Hybridleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
- - dass der Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsbelags (47) dem des Isoliergehäuses (46) mittels als Füllstoff dienenden kugelförmigen Glaspartikeln angeglichen ist, wobei diese Glaspartikel einen Durchmesser von 1 µm bis 50 µm aufweisen, mit einer guten mittleren Verteilung im Bereich zwischen 10 µm und 30 µm.
6. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet,
- - dass die kugelförmigen Glaspartikel mit einem Haftvermittler beschichtet sind.
7. Hybridleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
- - dass die Leitfähigkeit des Widerstandsbelags (47) mittels Beimischung von leitfähigen Partikeln, vorzugsweise Russpartikeln, erreicht wird.
8. Hybridleistungsschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
- - dass das für die Matrix des Widerstandsbelags (47) verwendete Giessharz aus einer der Gruppen der anhydridgehärteten Epoxidharze, der ungesättigten Polyesterharze, der Acrylharze oder der Polyurethanharze stammt.
9. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
- - dass die erste Löschkammer (2) eine Leistungsstrombahn und eine zu ihr parallele Nennstrombahn aufweist, und
- - dass die zweite Löschkammer (3) keine separate Nennstrombahn aufweist.
10. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
- - dass sowohl die erste (2) als auch die zweite Löschkammer (3) eine Leistungsstrombahn und eine zu ihr parallele Nennstrombahn aufweisen.
11. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
- - dass als Lösch- und Isoliermedium in der ersten Löschkammer (2) reines SF6-Gas oder ein Gemisch aus N2- Gas und SF6-Gas eingesetzt wird oder ein Gemisch aus Druckluft mit anderen elektronegativen Gasen eingesetzt wird.
12. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet,
- - dass vorzugsweise ein Gasgemisch mit einem Anteil von 5% bis 50% SF6-Gas eingesetzt wird.
13. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet,
- - dass der Fülldruck der ersten Löschkammer (2) im Bereich von 3 bar bis 22 bar, vorzugsweise jedoch bei 9 bar, liegt.
14. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
- - dass beim Ausschalten der zeitliche Vorlauf Tv der
Bewegung der ersten Löschkammer (2) gegenüber der zweiten
Löschkammer (3) durch folgende Beziehung definiert wird:
Tv = (tLibo min - t1) ms,
wobei tLibo min die für die erste Löschkammer (2) minimal mögliche Lichtbogenzeit ist und t1 eine Zeit im Bereich von 2 ms bis 4 ms ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ABB TECHNOLOGY AG, ZUERICH, CH |
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