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Elektrischer Leistungsschalter mit einem Widerstand
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Die Erfindung befaßt sich mit einem elektrischen Leistungsschalter
mit einem in einen zu unterbrechenden Stromkreis einschaltbaren Widerstand mit sich
während des Schaltvorganges erhöhendem Widerstandswert.
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Leistungsschaltern dieser Art, wie sie durch die DE-PS 764 828 bekannt
geworden sind, liegt der Gedanke einer annähernd lichtbogenfreien Unterbrechung
von Stromkreisen zugrunde. Der Strom wird dabei durch einen sich rasch vergrößernden
Widerstand auf einen so widrigen Wert gebracht, daß er durch eine verhältnismäßig
einfache Vorrichtung, z. B. eine Löschfunkenstrecke, unterbrochen werden kann.
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Trotz des einfach erscheinenden Grundgedankens solcher Leistungsschalter
hat sich das beschriebene Schaltprinzip nicht in einem mit Lichtbogenschaltern vergleichbaren
Umfang verwirklichen lassen. Die GrUnde dafür
sind u. a. in den
außerordentlichen Beanspruchungen der Schaltwiderstände durchbche örtliche Stromdichten
und die Schaltarbeit zu sehen. Ferner bereitet es Schwierigkeiten, die erwünschten
sehr kleinen Restströme zu erreichen.
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Man hat bereits versucht, bei als Lichtbogenschalter ausgeführten
Leistungsschaltern spannungsabhängige Widerstände auf der Basis von Siliziumkarbid
oder Zinkoxid zu verwenden, um die Liciltbogenlöschung zu erleichtern. Auch dies
bereitet Schwierigkeiten, weil der Lichtbogen auf die spannungsabhängigen Widerstände
kommutiert werden muß und dabei das Widerstandsmaterial dem Lichtbogen und der zusätzlichen
hohen elektrischen Beanspruchung ausgesetzt ist (DE-OS 23 61 203).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Bauform eines
annähernd ohne Lichtbogenbildung arbeitenden Leistungsschalters für Wechsel- und
Gleichstrom zu schaffen, Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß der Widerstand aus einem seinen Widerstandswert aufgrund der Spannungsbeanspruchung
während des Schaltvorganges erhöhenden Material besteht. Hierfür geeignete Widerstandsmaterialien
sind an sich bekannt. Sie besitzen eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie mit
der Eigenschaft, daß bei einer bhen spezifischen Spannung der Widerstandswert sehr
niedrig und bei einer niedrigen spezifischen Spannung der Widerstandswert sehr hoch
ist. Diese Eigenschaften werden bei dem Leistungsschalter nach der Erfindung in
der Weise ausgenutzt, daß durch das bewegbare Kontaktstück zunächst ein so großer
Teil des Widerstandes wirksam gemacht wird, daß der Strom und damit die spezifische
Spannung auf
einen für das benutzte Widerstandsmaterial kennzeichnenden
Grenzwert erniedrigt werden. Eine geringfügige weitere Verminderung des Stromes
führt dann aufgrund der nichtlinearen Kennlinie des Widerstandes zu einer plötzlichen
starken Vergrößerung des wirksamen Widerstandes und damit zu einer Verringerung
des Stromes um Größenordnungen. Je nach den Eigenschaften des verwendeten Widerstandsmaterials
ist der dann noch fließende Reststrom, der außerdem überwiegend ohmscher Natur ist,
so niedrig, daß zu seiner Unterbrechung ganz einfache Vorrichtungen, z. B. eine
in Luft oder in einem anderen geeigneten Löschmedium angeordnete Trennstrecke, genügen.
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Gute Ergebnisse sind insbesondere dann zu erzielen, wenn der Widerstand
aus einem mit Metalloxiden dotierten Zinkoxid besteht und zwischen dem in der Ausschaltstellung
befindlichen bewegbaren Kontaktstück und dem Widerstand ein eine Trennstrecke bildender
Abstand vorhanden ist. Diese Trennstrecke genügt zur Unterbrechung des Reststromes,
der aufgrund der guten Eigenschaften der Zinkoxid-Widerstände besonders niedrig
ist. Der Widerstand kann z. B. so hergestellt und zusammengesetzt sein, wie dies
in der DE-OS 18 02 452 beschrieben ist. Ein solcher Widerstand kann zusammen mit
einem feststehenden Kontaktstück und der Trennstrecke eine lineare Anordnung bilden.
Hierzu kann der Widerstand als zylindrischer Hohlkörper ausgebildet sein, dessen
eine Stirnseite mit dem zu unterbrechenden Stromkreis verbunden ere verbunden ist
und an essen/Oerläc e ein geradlinig verschiebbar geführtes und mit einem Schaltmechanismus
verbundenes Kontaktstück aufliegt. Das bewegbare Kontaktstück kann dabei, wie dies
bei Druckgas-Leistungsschaltern bekannt ist, rohrförmig ausgebildet und mit einer
Anzahl radial federnder Kontaktfinger versehen
sein. Auf die umfangreichen
Erfahrungen mit solchen Kontaktstücken und ihrem Antrieb sowie mit den zu verwendenden
Werkstoffen kann hierbei zurückgegriffen werden.
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Der Widerstand kann als einstückiger Hohlzylinder hergestellt werden,
oder er kann aus gegeneinander durch Isolierstücke getrennten Lamellen aufgebaut
sein, derart, daß Jeweils ein oder mehrere Kontaktfinger mit einer Widerstandslamelle
zusammenarbeiten. Die zuletzt genannte Anordnung ist günstig für die Stromverteilung
und erleichtert auch die Herstellung großer Widerstände für entsprechend hohe Schaltleistungen.
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Diese Vorteile lassen sich auch dadurch erzielen, daß mehrere Widerstandskörper
in axialer Richtung zu einem Hohlzylinder zusammengefügt werden.
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Um eine örtliche Uberhitzung des Widerstandes beim Schalten zu vermeiden,
empfiehlt es sich, die Stromdichte durch eine ausreichend große Kontaktfläche des
bewegbaren Kontaktstückes zu begrenzen. Darüber hinaus läßt sich eine günstige Beanspruchung
des Widerstandes bzw. der einzelnen Widerstandskörper dadurch erreichen, daß zwischen
den Widerstandskörpern Metall stücke angeordnet sind, deren dem bewegbaren Kontaktstück
zugewandte Seiten eine Kontaktbahn bilden. Eine solche Anordnung kann z. B. durch
geeignete Spannglieder unter Druck zusammengehalten sein. Es ist jedoch vorteilhafter,
die Metallstücke und die Widerstandskörper miteinander mechanisch und elektrisch
leitend fest zu verbinden. Dies kann durch ein Verfahren erreicht werden, bei dem
zwischen die mit gegenseitigem Abstand gehaltenen Metallstücke ein pulverförmiges
Material für die Herstellung spannungsabhängiger Widerstände eingebracht
und
durch ein- oder beidseitig angeordneten und zur Detonation gebrachten Sprengstoff
verdichtet wird und bei dem die Anordnung anschließend einem Brennprozeß unterworfen
wird. Dank der Explosionsverdichtung wird dabei nicht nur das Ausgangsmaterial des
Widerstandes in dem erwünschten Maß kompaktiert, sondern es wird zugleich noch eine
Bindung mit den Metallstücken herbeigeführt.
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Die Verbindung zwischen den Metall stücken und dem Widerstandsmaterial
läßt sich noch durch eine auf die Metallstücke aufzubringende haftvermittelnde Metallschicht
verbessern, die z. B. aus einem Material bestehen kann, das auch zur Herstellung
der Elektroden an spannungsabhängigen Widerständen gebräuchlich ist. Hierfür werden
u. a. im Spritzverfahren aufgebrachte Kupfer- oder Zinkschichten benutzt.
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Die Metallstücke zwischen einzelnen Widerstands körpern dienen aber
nicht nur zur Bildung einer Kontaktbahn, die das Widerstandsmaterial von der mechanischen
und elektrischen Beanspruchung durch einen darübergleitenden bewegbaren Kontakt
entlastet, sondern sorgen auch für eine bessere Kühlung und bieten eine vorteilhaft
einfache Möglichkeit zur Befestigung des Widerstandes in einer Schaltkammer.
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Es empfiehlt sich, den Widerstand mit dem bewegbaren Kontaktstück
in einer ein elektronegatives Gas enthaltenden Kammer anzuordnen. Dadurch gelingt
es, Lichtbogen- oder Funkenentladungen an der Oberfläche des Widerstandes bei den
Schaltvorgängen zu unterdrücken.
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Ein solches Gas, z. B. das bei Lichtbogenschaltern bewährte Schwefelhexafluorid,
verbessert außerdem die Kühlung der Anordnung beträchtlich.
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Ein Löschgas der genannten Art kann auch während des Schaltvorganges
im Bereich des Widerstandes und des bewegbaren Kontaktstückes in Strömung versetzt
werden, um die Lösch- und Kühiwirkung zu steigern. Diese Gasströmung kann durch
einen Schaltmechanismus veranlaßt werden, der auch das bewegbare Kontaktstück antreibt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Schalteinheit eines Leistungsschalters
gemäß der Erfindung.
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In der Fig. 2 ist der Verlauf des Stromes in Abhängigkeit vom Weg
eines bewegbaren Kontaktstückes dargestellt.
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Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines spannungsabhängigen Widerstandes
für einen Leistungsschalter nach der Erfindung.
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In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Widerstandes
dargestellt.
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Die Schalteinheit 1 besitzt ein Gehäuse 2, das aus zwei hohlzylindrischen
Isolierkörpern 3 und 4 besteht, die axial miteinander fluchtend angeordnet sind.
Ein Abschlußflansch 5, der zugleich eine Anschlußvorrichtung 6 bildet, ist leitend
mit einem feststehenden Kontaktstück 7 verbunden, an das sich ein hohlzylindrischer
Widerstandskörper 8 bündig anschließt. Durch eine Eindrehung 10 ist eine Zentrierung
des Widerstandskörpers 8 gegenüber dem feststehenden Kontaktstück 7 gewährleistet.
In ähnlicher Weise wird der Widerstandskörper 8
an seinem anderen
Ende durch einen Isolierkörper 11 gegenüber der inneren Wandung des Isolierkörpers
3 gehalten und zentriert.
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Mit dem feststehenden Kontaktstück 7 und dem Widerstandskörper 8 wirkt
ein bewegbares Kontaktstück 12 zusammen, das rohrförmig ausgebildet und an seinem
dem Widerstands körper zugewandten Ende federnde Kontaktfinger 13 besitzt. Das bewegbare
Kontaktstück ist in einer Gleitkontaktanordnung 14 geführt, die mittels eines Halters
15 zwischen den Stirnflächen der Isolierkörper 3 und 4 zentriert ist und mit einer
äußeren Anschlußvorrichtung 16 versehen ist. Die Gleitkontaktanordnung 14 besitzt
an ihrem inneren Umfang Ausnehmungen 17, an denen federbelastete Gleitkontaktstücke
18 angeordnet sind, die auf der Oberfläche des bewegbaren Kontaktstückes 12 aufliegen.
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Auf ihrer dem Isolierkörper 11 abgewandten Seite ist die Gleitkontaktanordnung
14 mit einem Dämpfungszylinder 20 versehen, in den ein kolbenartiger Ansatz 21 des
bewegbaren Kontaktstückes 12 eintaucht, wenn sich die Kontaktfinger 13 dem feststehenden
Kontaktstück 7 nähern. Die restliche Bewegungsenergie beim Einschalten wird durch
einen ringförmigen Dämpfungskörper 22 aus gummielastischem Material im Inneren des
Dämpfungszylinders 20 aufgenommen.
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Eine sinngemäß wirkende Dämpfungs- und Anschlagvorrichtung ist für
die in der Fig. 1 gezeigte Ausschaltstellung des bewegbaren Kontaktstückes 12 vorgesehen.
Hierzu dient ein weiterer, gegenüber dem Isolierkörper 4 durch einen Halter 23 zentrierter
Dämpfungszylinder 24, in dem sich ein Dämpfungskörper 25 befindet. Gegen
diesen
legt sich der kolbenartige Ansatz 21 in der Ausschaltstellung des bewegbaren Kontaktstückes
12.
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Den Abschluß auf der rechten Seite der Schalteinheit 1 bildet ein
Abschlußflansch 26. Dieser besitzt eine Öffnung 27, die dazu dient, der Schalteinheit
1 ein Druckgas zuzuführen. Wird das Druckgas, z. B. Schwefelhexafluorid, durch die
Öffnung 27 des Abschlußflansches 26 zugeführt, so wirkt der Gasdruck auf die Kolbenfläche
28 des bewegbaren Kontaktstückes 12 und überführt dieses in die Einschaltstellung,
in der die federnden Kontaktfinger 13 an dem feststehenden Kontaktstück 7 anliegen.
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Zum Ausschalten wird eine Gas strömung durch eine weitere Öffnung
29 des linken Abschlußflansches 5 zugeführt und dadurch das bewegbare Kontaktstück
12 sinngemäß in die Ausschaltstellung transportiert. Es empfiehlt sich, die Gasströmung
so zu führen, daß der gesamte Innenraum der Schalteinheit 1, d. h. insbesondere
auch der zwischen dem Widerstands körper 8 und dem Isolierkörper 3 vorhandene Ringraum
9, mit dem Gas durchspült wird. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß der Dämpfungszylinder
24 und der Halter 15 der Gleitkontaktanordnung 14 sowie der Isolierkörper 11 entweder
mit Durchbrechungen versehen werden oder durch mit Abstand angeordnete Einzelteile
gebildet sind, so daß die Gasströmung zu allen Räumen Zutritt hat.
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Der Widerstandskörper 8 ist in dem in der Fig. 1 dargestellten Beispiel
als einstückiger Hohlzylinder ausgeführt. Die günstigsten Eigenschaften erhält man,
wenn der Widerstandskörper 8 aus Zinkoxid hergestellt wird, dem als Dotierungsstoffe
andere Metalloxide, z. B. Wismut und Antimonoxid, hinzugefügt sind. Die zunächst
pulverförmigen Ausgangsstoffe werden innig gemischt und anschließend in einem Preßvorgang
unter hohem Druck zu
einem Körper der gewünschten Form verfestigt.
Dieser Körper wird bei hoher Temperatur, vorzugsweise oberhalb von 1000 °C, einem
Brennprozeß unterworfen, als dessen Ergebnis man einen Körper mit annähernd keramischen
Eigenschaften erhält. Einzelheiten der Zusammensetzung und der Herstellung des Widerstandskörpers
sind beispielsweise der eingangs genannten DE-OS 18 02 452 zu entnehmen. Widerstandskörper
dieser Art besitzen eine derart ausgeprägte Spannungsabhängigkeit des Widerstandes,
daß sich der durch den Widerstandskörper fließende Strom um Größenordnungen ändert,
wenn sich die an dem Widerstandswert anliegende Spannung ausgehend von einem Grenzwert
nur sehr wenig ändert. Dies bedeutet, daß der über die Schalteinheit fließende Strom
bei einem Schaltvorgang auf äußerst geringe Werte gebracht wird, während sich das
bewegbare Kontaktstück 12 nur um eine geringe Wegstrecke entlang der/Oberfläche
des Widerstandskörpers 8 bewegt hat. Die Stelle, an der dies geschieht, ist verschieden
weit von dem feststehenden Kontaktstück 7 entfernt, Je nachdem, wie groß der Ausgangsstrom
ist.
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Diese Vorgänge sind in der Fig. 2 veranschaulicht. Mit I1 ist der
zu unterbrechende Strom, z. B. ein Kurzschlußstrom, bezeichnet. In der Stellung
sl verlassen die Kontaktfinger 13 das feststehende Kontaktstück 7 und treten auf
den Widerstandskörper 8 über. Entsprechend der Bewegung des Kontaktstückes 12 wird
nun ein zunehmender Widerstandswert in den zu unterbrechenden Stromkreis eingeschaltet,
wodurch der Strom bis zur Stellung s2 etwa linear abnimmt. An dieser Stelle ist
der Schwellwert des Widerstandsmaterials erreicht, bei der die hohe Leitfähigkeit
aufgrund der sinkenden spezifischen Spannung götzlich auf einen sehr geringen Wert
abnimmt. Dieser bereits niedrige Strom I2 wird
infolge der weiteren
Bewegung des Kontaktstückes 12 noch weiter bis auf einen Wert 13 linear verringert.
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Dieser geringe Reststrom wird nun durch Trennung der federnden Kontaktfinger
13 von dem Widerstandskörper 8 in der Stellung s3 unterbrochen. Das Kontaktstück
12 gelangt dann in die Endstellung s4, in der eine freie Trennstrecke zu dem Widerstandskörper
8 gebildet ist.
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Mit der Unterbrechung des Reststromes I3 kann eine unbedeutende Funken-
oder Lichtbogenbildung verbunden sein. Während des gesamten Schaltvorganges sorgt
das angewandte Löschgas an der Oberfläche des Widerstandskörpers 8 für eine weitgehende
Unterdrückung von Entladungserscheinungen und eine gute Kühlung.
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Während in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Widerstandskörper
8 als einstückiger Hohlzylinder ausgebildet ist, ist in der Fig. 3 eine aus einzelnen
Widerstandskörpern zusammengesetzte Widerstands anordnung 30 gezeigt. Zwischen Widerstandskörpern
31 sind Metallstücke 32 angeordnet, deren innere, den federnden Kontaktfingern des
bewegbaren Kontaktstückes zugewandte Stirnflächen eine Kontaktbahn bilden. Auf diese
Weise wird eine direkte Berührung der Kontaktfinger mit dem Widerstandsmaterial
vermieden. Ferner wird eine gleichmäßigere Beanspruchung des Widerstandsmaterials
durch den zu unterbrechenden Strom erreicht. Die inneren, den Kontaktfingern zugewandten/loerstandskörper
31 sind mit Isolierschichten 33 abgedeckt, die ebenso wie eine außen aufgebrachte
Isolierschicht 34 Entladungen an der Oberfläche der Widerstandsanordnung unterdrücken.
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Die in der Fig. 3 gezeigte Anordnung kann aus Einzelteilen zusammengesetzt
und durch eine geeignete Spannvorrichtung zusammengehalten werden. Die Anordnung
läßt sich Jedoch auch einstückig durch ein Verfahren her-
stellen,
bei dem das feststehende Kontaktstück 35 und die Metallstücke 32 mit den Widerstands
körpern 31 mechanisch und elektrisch leitend verbunden werden. Dies kann in der
Weise geschehen, daß in einer Vorrichtung die Metallstücke 32 und das feststehende
Kontaktstück 35 in den gewünschten Abständen verankert werden. Die Zwischenräume
werden dann mit dem zunächst pulverförmigen Ausgangsmaterial der Widerstandskörper
31 ausgefüllt.
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Durch die Detonation eines Sprengstoffes wird dann das pulverförmige
Ausgangsmaterial wie bei einem Preßvorgang verdichtet. Der Sprengstoff kann dabei
innerhalb der zylindrischen Anordnung oder außerhalb angeordnet sein, wenn jeweils
auf der gegenüberliegenden Seite ein Widerlager vorhanden ist. Ein solches Widerlager
wird nicht benötigt, wenn der Sprengstoff beidseitig, d. h.
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innerhalb und außerhalb der zylindrischen Anordnung vorgesehen ist.
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Für die Bindung des Widerstandsmaterials mit den Metallstücken 32
und dem Kontaktstück 35 ist es günstig, wenn die betreffenden Flächen dieser Metallteile
mit einer Schicht eines anderen Metalls versehen werden* wie man es auch zur Herstellung
der Elektroden an spannungsabhängigen Widerständen verwendet. Diese Metalle, z.
B.
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Zink oder Kupfer, können im Metallspritzverfahren aufgebracht werden.
Eine gesonderte Beschichtung dieser Art kann jedoch dann unterbleiben, wenn die
Metallteile aus Kupfer bestehen, weil dann zu erwarten ist, daß ohnehin eine gute
Bindung Ttttt dem Widerstandsmaterial unter der Wirkung des Explosionsdruckes erzielt
wird.
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Dagegen empfiehlt sich die gesonderte Beschichtung, wenn die Metallteile
aus Werkstoffen bestehen, die eine ungenügende Bindung mit dem Widerstandsmaterial
eingehen.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhält man eine Anordnung
30 mit einer Anzahl von ringförmigen Widerstandskörpern 31, deren Anzahl so groß
sein sollte, daß keine zu großen Spannungssprünge zwischen den dazwischenliegenden
Metallteilen entstehen. Die Widerstandsanordnung kann aber auch zusätzlich in Umfangsrichtung
in einzelne Körper unterteilt sein, so daß radiale, für den Durchtritt eines Kühlmittels
geeignete Zwischenräume entstehen.
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Bei dem Widerstand 40 gemäß der Fig. 4 ist eine Unterteilung in Umfangsrichtung
durch Lamellen 42 vorgesehen. Zwischen diesen befinden sich Isolierstücke 41, die
aus plattenförmigem Isoliermaterial bestehen können oder die durch einen zwischen
die auf Abstand gebrachten Lamellen 42 flüssig oder plastisch eingebrachten und
erstarrten oder ausgehärteten Isolierstoff gebildet sind. Jeder Lamelle 42 ist wenigstens
ein Kontaktfinger 43 zugeordnet.
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Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, lassen sich aufgrund der Erfindung
Schalteinheiten herstellen, für die bekannte und daher erprobte Bauteile verwendbar
sind. Zum Beispiel werden rohrförmige Kontaktstücke mit Kontaktfingern sowie Gleitkontaktanordnungen
bei Lichtbogenschaltern verwendet, so daß diese Teile mit bekannten Eigenschaften
verfügbar sind. Ebenso sind Einrichtungen zur Erzeugung einer Gas strömung und zum
Antrieb der bewegbaren Kontaktstücke unverändert verwendbar. Die Verwirklichung
der Erfindung wird ferner dadurch erleichtert, daß hinsichtlich der Widerstandsanordnungen
umfangreiche Erfahrungen auf dem Gebiet der spannungsabhängigen Widerstände für
Uberspannungsableiter vorliegen.
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12 Ansprüche 4 Figuren