DE2523245C2

DE2523245C2 - Schnellerdungsvorrichtung für metallgekapselte Hochspannungsschaltanlagen

Info

Publication number: DE2523245C2
Application number: DE2523245A
Authority: DE
Inventors: Richard Unterentfelden Thaler
Original assignee: Sprecher und Schuh AG
Current assignee: Rockwell Automation Switzerland GmbH
Priority date: 1974-06-13
Filing date: 1975-05-26
Publication date: 1982-08-26
Also published as: US3962605A; DE2523245A1; AT335004B; ATA327375A; CH564866A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Schnellerdungsvorrichtung für metallgekapselte Hochspannungsschaltanlagen mit einem durch Zünden einer Treibladung aus seiner Ruhelage in seine Erdungslage zur elektrischen Verbindung der Kapselung mit einem darin gekapselten Leiter vorschiebbaren Erdungsbolzen.

Bei metallgekapselten Hochspannungsanlagen, die insbesondere mit SF₆ als Isoliergas unter Druck gefüllt sind, kann beim Auftreten von Lichtbögen zwischen Leiter und Kapselung eine rasche Erwärmung und Gasausdehnung zum Bersten der Kapselung führen. Darüber hinaus kann bei genügend langem Brennen des Lichtbogens die Anlage auch sonst bis zur Zerstörung beschädigt werden. In jedem Falle ist für Mensch und Anlage Gefahr vorhanden, die abgewendet werden muß.

Um das Bersten der Kapselung zu vermeiden, hat man bisher durch Berstmembranen Überdrucksicherungen vorgesehen. Zum Löschen von Lichtbögen hat man das rasche Abschalten des Stroms bzw. eine Schnellerdung angestrebt Im Falle von Berstmembranen wurde zur Steuerung von Schaltvorgängen vorgeschlagen, den Druckabfall und/oder das Nachströmen von Gas aus Vorratsbehältern zur Auslösung der Schaltvorgänge einzusetzen. Dabei müssen so große Verzögerungen in

ίο Kauf genommen werden, daß die Anlage zufolge Weiterbrennen des Lichtbogens schwer Schaden leidet Zudem ist dabei wegen des Berstens der Membran der mindestens teilweise Verlust der Gasfüllung in Kauf zu nehmen. Ein wirksamer voller Schutz des Bedienungspersonals kann nicht gewährleistet werden.

Zusätzlich zur Berstmembranensicherung ist auch vorgeschlagen wordeR, den bei Lichtbögen auftretenden erhöhten Strom zum Auslösen von Schaltvorgängen zu benützen. Ist der Gesamtstrom aber im

Nennstrombereich, so tritt trotz Lichtbogen keine Schaltung auf.

Bei einer bekannten Schnellerdungsvorrichtung (FR-PS 1413 925) ist eine von dem Druck des Isoliei gases beaufschlagte Berstmembran vorgesehen, die bei einem Druckanstieg des Isoliergases zerrissen wird. Das durch die zerrissene Berstmembran ausströmende Isoliergas verursacht sodann die Lösung einer mechanischen Arretierung eines Pneumatikantriebes, durch den der Erdungsbolzen in seine Erdungslage vorgeschoben wird. Neben ihrem komplizierten Aufbau besitzt diese bekannte Schnellerdungsvorrichtung den erheblichen Nachteil einer großen Trägheit, die derart lange Verzögerungen verursacht, daß die Hochspannungschaltanlage durch den weiterbrennenden Lichtbo-

gen schwer beschädigt werden kann. Außerdem tritt durch die zerrissene Berstmembran hindurch ein mindestens teilweiser Verlust der Isoliergasfüllung auf. Es entsteht somit weitere Gefahr für Mensch und Materia¹. Ein wirksamer voller Schutz des Bedienungspersonals ist also nicht gewährleistet

In einer weiteren bekannten Schnellerdungsvorrichtung (FR-ZP 87 099 zu FR-PS 14 13 925) ist zwar insoweit eine bauliche Vereinfachung geschaffen, als kein gesonderter Pneumatikantrieb für den Erdungsbolzen vorgesehen ist. Der Vorschub des Erdungsbolzens erfolgt dabei unmittelbar durch die von dem aus der zerrissenen Berstmembran austretenden Isoliergas hervorgerufene Druckdifferenz. Die Arbeitsweise dieser bekannten Schnellerdungsvorrichtung ist jedoch schon wegen des breiten Ansprechbereichs der Berstmembran unsicher.

Wegen dieser Unsicherheit ist schließlich bei einer bekannten Schnellerdungsvorrichtung der eingangs genannten Art (FR-ZP 89 220 zu FR-PS 14 13 925) die

Berstmembran mit der Treibladung versehen, durch deren elektrisch ausgelöste Zündung die Berstmembran zerrissen wird. Die Erzeugung des erforderlichen elektrischen Zündimpulses erfolgt dabei durch einen um die Erdleitung der Kapselung herumgelegten Ringtransformator, der auf den durch das Auftreten eines Lichtbogens hervorgerufenen Stromstoß anspricht Die Ansprechgenauigkeit dieser bekannten Schnellerdungsvorrichtung wird jedoch als ungenügend erachtet, weil bei einem ungenügenden Gesamtstrom, der im wesentlichen im Nennstrombereich bleibt, trotz des Lichtbogens keine Zündung auftritt. Doch selbst wenn der Nennstrom überschritten wird, ist das Ansprechverhalten kritisch, da die Ansprechzeit nicht so kurz sein darf, daß

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schon bei kurzzeitigen Überstromstößen die Schnellerdung ausgelöst wird. Diese folgt deswegen oft zu spät, um Lichtbogenschäden wirksam zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schnellerdungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ohne Verluste de. Isoliergasfüllung und möglichst hoher Ansprechgenauigkeit eine sichere und schnelle Löschung eines Lichtbogens erzielbar und damit eine Gefährdung des Bedienungspersonals und eine Beschädigur.gsgefahr für die Schaltanlage vermieden isL

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zum Zünden der den Erdungsbolzen antreibenden Treibladung ein durch Entspannen einer Feder aus seiner Ruhelage in seine Zündlage bewegbarer Schlagbolzen vorgesehen ist, der durch einen Reißfaden in seiner Ruhelage mit einem Kolben verbunden ist, und diß durch den in einem zylindrischen Mantel verschieblich angeordneten Kolben zwei durch eine Ausgleichsbohrung gasleitend verbundene Räume voneinander getrennt sind, wobei der reißfadenseitige Raum durch einen bezüglich der Ausgleichsbohrung weiten Durchlaß gasleitend mit dem Innenraum der Kapselung verbunden ist

■ Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die sich zwischen den zwei durch die Ausgleichsbohrung gasleitend verbundenen Räumen ausbildende Druckdifferenz für den Zündvorgang ausgenutzt, wobei auch die Geschwindigkeit des Druckanstiegs in der Kapselung Berücksichtigung findet Die die beiden Räume verbindende Ausgleichsbohrung kann derart kalibriert jein, daß eine durch eine normale Erwärmung hervorgerufene Ausdehnung des Isoliergases ohne die Auslösung der Schnellerdungsvorrichtung ausgeglichen wird, während bei einem durch einen Lichtbogen hervorgerufenen raschen Druckanstieg der Ausgleich nicht schnell genug herbeigeführt wird und daher die Zündung ausgelöst wird. Hierzu wird die Druckdifferenz durch den die beiden Räume trennenden Kolben in eine Bewegung umgesetzt, durch die der Kolben den Reißfaden zerreißt, worauf der Schlagbolzen die Zündung auslöst. Auf diese Weise läßt sich eine hervorragende Genauigkeit der erfindungsgemäßen Schnellerdungsvorrichtung erreichen. Da die Zündung durch den Druckanstieg in der Schaltanlage ausgelöst wird, kann

;der Schnellerdungsvorgang zeitlich praktisch verzöge-'rungsfrei bewirkt werden.

Die Verwendung der Treibladung für das Vorschieben des Erdungsbolzens hat den weiteren Vorteil, daß im Gegensatz zu bekannten und notwendigerweise großmassigen Druck- und Federkraftspeichern eine feinere Abstimmung des Auslöseverhaltens und ein rascheres Ansprechen möglich ist Durch die verhältnismäßig kleine Treibladung können bereits die erforderlichen großen Schaltkräfte aufgebracht werden, für die ein hinsichtlich Masse und Volumen bedeutend größerer mechanischer Speicher erforderlich wäre. Dagegen kann das Zünden der Treibladung selbst mittels des kleinen und einfach aufgebauten Kraftspeichers in Form der Feder erfolgen, da hierfür eine geringe Kraft ausreicht Dieser kleine Federkraftspeicher läßt sich leicht auslösen. Außerdem sprechen die kleinen beweglichen Massen mit geringerer Verzögerung an.

Daneben sind bei der erfindungsgemäßen Schnellerdungsvorrichtung die im Falle von Gas- und Federkraftspeichern sonst üblichen beweglichen Vorrichtungsteile, wie Klinken und dergleichen, vermieden. Die Funktion derartiger Vorrichtungsteile ist nur schwer mit

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65 Sicherheit beherrschbar, wenn der Aufwand in vernünftigen Grenzen bleiben soll.

Die Möglichkeit der einfachen Bauweise führt dazu, daß die erfindungsgemäße Schnellerdungsvorrichtung so billig herstellbar ist, daß sie an jedem gefährdeten Leitungsabschnitt vorgesehen werden kann, wodurch eine optimale Sicherung erreicht werden kann. Da somit lange Gassäulen vermieden werden können, ist eine weitere Steigerung der Ansprechgeschwindigkeit möglich. Zudem ist auch die Nähe der Erdungsstelle bezüglich des Lichtbogens vorteilhaft.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist außerdem die einfache mechanische Auslösung der Zündung, die dabei direkt vom Druckanstieg zufolge des Lichtbogens betätigbar ist, vorteilhaft, weil keine von der Stromstärke des Lichtbogens abhängigen Funktionen elektromechanisch in Bewegung umgewandelt zu werden brauchen, so daß auch hieraus ein rasches Ansprechen resultieren kann.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Abschnitt einer gekapselten Leitung mit Schnellerdungsvorrichtung in schematischer Ansicht,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch die in F i g. 1 angedeutete Schnellerdungsvorrichtung, gegenüber F i g. 1 vergrößert, and

F i g. 3 in blockdiagrammartiger Darstellung verschiedene Phasen einer mit der Vorrichtung nach F i g. 2 vorgenommenen Schnellerdung.

Ein in F i g. 1 dargestellter Leitungsabschnitt weist einen in üblicher Weise durch nicht ersichtliche Isolatoren zentral in einer geerdeten metallenen Kapselung 1 gehaltenen rohrförmigen Hochspannungsleiter 2 auf, wobei die Kapselung 1 in üblicher Weise gedichtet und mit SF₆ gefüllt ist

Eine Schnellerdungsvorrichtung 3 ist (vgl. auch Fig.2) an einer dafür vorgesehenen Anschlußstelle auswechselbar an der Kapselung 1 mittels Schrauben 4 unter Zwischenschaltung geeigneter Dichtungen 5 befestigt. Ein in einem zylindrischen Mantel 6 der Schnellerdungsvorrichtung 3 geführter, durchgehend hohler Erdungsbolzen 7 kann durch ein entsprechendes Loch 8 in die Kapselung 1 vorgeschoben und in ein als Gegenkontakt dienendes kleineres Loch 2' des Hochspannungsleiters 2 eingedrückt werden, um zwischen dem Hochspannungsleiter 2 und der Kapselung 1 einen Erdschluß herzustellen. Um den Erdungsbolzen 7 in seiner in F i g. 2 gezeichneten Ruhestellung (die auch in Kolonne A der F i g. 3 festgehalten ist) zu sichern, und um zwischen dem Erdungsbolzen 7 und Mantel 6 der Erdungsvorrichtung 3 einen guten Kontakt zu schaffen, ist ein Haltering 9 aus geeignetem Metall in entsprechende nicht gesondert bezeichnete Ringnuten des Mantels 6 und Erdungsbolzens 7 eingesetzt

In F i g. 2 sieht man unterhalb des Erdungsbolzens 7, an einer Schulter 10 der Innenseite des Mantels 6 durch Preßsitz gehaltert, eine als Pfropfen dienende Scheibe 11, welche am Rand ringsum von Löchern ϊ2 durchsetzt ist, weiche den hinter dem P^fropfen 11 befindlichen Raum 13 mit der Bohrung T des Erdungsbolzens 7 und somit mit dem zwischen dem Hochspannungsleiter 2 und der Kapselung 1 gebildeten Innenraum Γ in Ruhestellung gasleitend verbinden. An seinem in F i g. 2 unteren Ende ist der Raum 13 durch ein mit dem Mantel 6 fest verbundenes Widerlager 14 begrenzt. Der Raum unterhalb des Widerlagers 14 ist generell mit 15 bezeichnet und durch einen Durchlaß in Form von Bohrungen 16 des Widerlagers 14 mit dem Raum 13

gasleitend verbunden.

An der Unterseite der Scheibe 11 ist eine Patrone 17 mit einer Treibladung 18 und einer Zündkapsel 19 angebracht. Ebenfalls an der Unterseite der Scheibe 11 ist das eine Ende einer Zug-Schrauben-Feder 20 verankert. Das andere Ende der Feder 20 ist mit dem unteren Ende eines Schlagbolzens 21 vebunden, dem die Feder 20 außerdem als Längsführung dient. Die Feder 20 ist in der in F i g. 2 dargestellten Stellung gespannt. Der Schlagbolzen 21 ist am einen Ende eines (z. B. durch einen Draht gebildeten) Reißfadens 22 befestigt, der durch ein Loch des Widerlagers 14 geführt ist und dessen anderes Ende an einem im Raum 15 sitzenden Kolben 23 befestigt ist. In der in F i g. 2 gezeichneten Ruhestellung hängt der Schlagbolzen 21 an dem ihn mit dem Kolben 23 verbindenden Reißfaden 22, so daß der Kolben 23 an der unteren Fläche des Widerlagers 14 bei durch die Feder 20 gespanntem Reißfaden 22 anliegt. Der Kolben 23 weist einen Raum 24 in Form einer Höhlung auf, der durch den Durchlaß 16 mit dem Raum 13 in Verbindung steht. Der Raum 24 steht durch eine enge kalibrierte Ausgleichsbohrung 25 des Kolbenbodens mit dem darunter befindlichen, vom Kolben nicht beanspruchten Teil des Raumes 15 (in dem der Kolben 23 verschieblich sitzt) in Verbindung.

Allmähliche Druckveränderungen (z. B. zufolge Schwankung der Umgebungs-Temperatur) können daher auf dem Wege durch die Bohrung 7', die Löcher 12, den Raum 13, den Durchlaß 16, den Raum 24 und die Ausgleichsbohrung 25 zwischen dem Innenraum Γ und dem Raum 15 ausgeglichen werden. Tritt nun aber in der Folge eines Lichtbogens zwischen der Kapselung 1 und dem Hochspannungsleiter 2 ein rascher Druckanstieg im Innenraum 1' auf, so vermag sich zwar der Druckanstieg rasch durch die relativ großflächigen Querschnitte der Bohrung 7', der Löcher 12, des Raumes 13 und des Durchlasses 16 bis zum Raum 24 des Kolbens 23 fortzupflanzen, kann aber die relativ enge Ausgleichsbohrung 25 nicht rasch durchsetzen. Der plötzliche Druckanstieg führt also zu einer großen Drückdifferenz beidseits des Kolbens 23, weshalb dieser nach unten gedrängt wird. Dabei reißt der Reißfaden 22, und der Zündbolzen 21 wird (vgl. auch Kolonne B in F i g. 3) durch die Feder 20 nach oben geschleudert, wo er auf die Zündkapsel 19 trifft, welche die Treibladung 18 zündet. Diese Zündung der Treibladung 18 schleudert die Scheibe 11 sofort nach oben (in F i g. 3 in Kolonne C dargestellt), wodurch sie die Bohrung 7' im Erdungsbolzen 7 verschließt, so daß der durch die Treibladung 18 verursachte momentane und starke Druckanstieg im Raum 13 den Erdungsbolzen 7 nach oben in die (in Fig.3, Kolonne D gezeigte) Erdungsstellung vorschiebt. Der Erdungsbolzen 7 verkeilt sich dabei mit seinem konischen Ende im Loch 2' des Hochspannungsleiters 2.

Das Ganze geht sehr rasch vor sich. Im Gegensatz zu is Federkraft-Antriebsspeichern, die viel voluminöser und großmassiger sind, ist die erforderliche Auslösekraft relativ gering und sehr präzis vorbestimmbar, da man nur einen entsprechend kalibrierten Reißfaden 22 zu zerreißen braucht. Auch die übrigen Dimensionen, insbesondere die Querschnitte von 7', 12,13,16 und 25 lassen sich zweckentsprechend mit großer Präzision und gut reproduzierbar kalibrieren, so daß keine nachträglichen Justierungsarbeiten erforderlich sind. Die dem plötzlichen Druckanstieg praktisch unmittelbar folgende Auslösung wird auch durch die sehr hohe mögliche Beschleunigung des kleinmassigen Schlagbolzens 21 von der Feder 20, die unmittelbar folgende Zündung der Treibladung und das sozusagen momentane »Einschießen« des Erdungsbolzens 7 in die Erdungsstellung (Fig.3, Kolonne D) flankiert Das Ganze kann dem Abfeuern eines Schusses vergleichbar so rasch ablaufen, daß in der Praxis höchstens einige Hundertstelsekunden vom Auftreten des Lichtbogens bis zum Löschen durch Erdung verstreichen. Selbst dann bleibt noch eine genügende Ansprechzeitreserve, wenn der Lichtbogen nicht in unmittelbarer Nähe der Schnellerdungsvorrichtung entsteht Da aber die Schnellerdungsvorrichtung sehr preiswert herstellbar ist, kann sie in relativ geringen Abständen an der Schaltanlage angebracht werden, was die Sicherheit weiter zu steigern gestattet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schnellerdungsvorrichtung für metallgekapseke Hochspannungsschaltanlagen mit einem durch Zünden einer Treibladung aus seiner Ruhelage in seine Erdungslage zur elektrischen Verbindung der Kapselung mit einem darin gekapselten Leiter vorschiebbaren Erdungsbolzen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zünden der den Erdungsbolzen (7) antreibenden Treibladung (18) ein durch Entspannen einer Feder (20) aus seiner Ruhelage in seine Zündlage bewegbarer Schlagbolzen (21) vorgesehen ist, der durch einen Reißfaden (22) in seiner Ruhelage mit einem Kolben (23) verbunden ist, und daß durch den in einem zylindrischen Mantel (6) verschieblich angeordneten Kolben (23) zwei durch eine Ausgleichsbohning (25) gasleitend verbundene Räume (24, 15) voneinander getrennt sind, wobei der reißfadenseitige Raum (24) durch einen bezüglich der Ausgleichsbohrung (25) weiten Durchlaß (16) gasleitend mit dem Innenraum (V) der Kapselung (1) verbunden ist.

2. Schnellerdungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die beiden Räume (24,15) verbindende Ausgleichsbohrung (25) in dem Kolben (23) vorgesehen ist

3. Schnellerdgungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem durch ein Loch (8) in der Wand der Kapselung (1) mit deren Innenraum (1') gasleitend verbundenen zylindrischen Mantel (6) vorgesehene Erdungsbolzen (7) eine durchgehende Bohrung (7') und im Abstand von seinem der Kapselung (1) abgewandten Ende eine durch die gezündete Treibladung (18) in Richtung auf den Erdungsbolzen (7) bewegliche, in ihrem Randbereich Löcher (12) aufweisende Scheibe (U) zum Verschließen der Bohrung (7') des Erdungsbolzens (7) aufweist.

4. Schnellerdungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch db Scheibe (11) ein Raum (13) gegen den Erdungsbolzen (7) abgegrenzt ist, in welchem die Treibladung (18) und der Schlagbolzen (21) mit seiner Feder (20) untergebracht sind, und welcher jenseits eines vom Reißfaden (22) durchsetzten Widerlagers (14) für den Kolben (23) in den mit dem Innenraum (Γ) der Kapselung (1) gasleitend verbundenen Raum (24) übergeht.