DE29824020U1 - Medium voltage switch - Google Patents
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Description
GR 98 G 3814 DE GR 98 G 3814 EN
Beschreibung
MittelspannungsschalterDescription
Medium voltage switch
Die Erfindung bezieht sich auf einen schnellarbeitenden strombegrenzenden Mittelspannungsschalter mit einer Einrichtung zum Erfassen eines Kurzschlußstromes und einem elektrodynamischen Wirbelstromauslöser, dessen Antriebsring im Feld einer Spule angeordnet ist und der zur Bewegung eines zylindrischen Kontaktträgers innerhalb einer hohlzylindrischen Löschkammer vorgesehen ist, wobei der Kontaktträger mit Kontaktringen versehen ist und wobei jedem Kontaktring zwei in der hohlzylindrischen Löschkammer radial einander gegenüberstehende Kontaktstifte zugeordnet sind.The invention relates to a fast-acting current-limiting medium-voltage switch with a device for detecting a short-circuit current and an electrodynamic eddy current release, the drive ring of which is arranged in the field of a coil and which is provided for moving a cylindrical contact carrier within a hollow cylindrical quenching chamber, wherein the contact carrier is provided with contact rings and wherein each contact ring is assigned two contact pins radially opposite one another in the hollow cylindrical quenching chamber.
Strombegrenzende Schalter müssen bekanntlich im Kurzschlußfall eine sehr frühe Kontakttrennung und einen schnellen Bogenspannungsaufbau herbeiführen. Dazu werden schnelle Auslösesysteme, elektrodynamische Öffnungskräfte und schnelles Bogenlaufen ausgenutzt. Schnelle Magnetauslöser sind als Tauch-, Klapp- und Hubankersysteme bekannt, bei denen mit einer Magnetspule das notwendige Magnetfeld im Luftspalt erzeugt wird. Diese Methode ist auf kleinere Schalternennströme bis etwa 100 A beschränkt, da die Verlustleistung der Spule sonst zu groß wird und die Schnelligkeit der Auslösung entsprechend abnimmt.As is well known, current-limiting switches must cause very early contact separation and a rapid build-up of arc voltage in the event of a short circuit. Fast tripping systems, electrodynamic opening forces and fast arc travel are used for this purpose. Fast magnetic tripping devices are known as plunger, hinged and lifting armature systems, in which the necessary magnetic field is generated in the air gap using a magnetic coil. This method is limited to smaller switch nominal currents up to around 100 A, since the power loss of the coil would otherwise be too great and the speed of tripping would decrease accordingly.
Strombegrenzende Schalter für höhere Nennströme nutzen häufig elektrodynamische Kontaktöffnungskräfte zur schnellen Abschaltung aus. Zur Vergrößerung des antreibenden Magnetfeldes wird das Kontaktsystem mit engen Stromschleifen versehen oder es werden Eisenanordnungen zur Feldverstärkung eingesetzt. Die elektrodynamischen Kräfte nehmen proportional oder sogar quadratisch mit dem Strom zu. Derartige Schalter arbeiten deshalb bei großen Durchlaßströmen verhältnismäßig schnell. Elektrodynamische Schnellauslöser sind in der Lage, dieCurrent-limiting switches for higher rated currents often use electrodynamic contact opening forces for rapid switching off. To increase the driving magnetic field, the contact system is provided with narrow current loops or iron arrangements are used to strengthen the field. The electrodynamic forces increase proportionally or even quadratically with the current. Such switches therefore work relatively quickly with large forward currents. Electrodynamic quick-release devices are able to
GR 98 G 3814 DE ^ .··..".GR 98 G 3814 EN ^ .··..".
Schaltkontakte innerhalb der ersten Halbschwingung eines Kurzschlußstromes aufzutrennen.To separate switching contacts within the first half-oscillation of a short-circuit current.
In einer bekannten Ausführungsform eines derartigen Schnellauslösers wird vom Magnetfeld einer Spule, die vom Wechselstrom oder von einem Strom mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit durchflossen ist, in einem mit ihr magnetisch gekoppelten Antriebsring Strom in entgegengesetzter Richtung induziert. Durch die abstoßende Wirkung der beiden Ströme erhält ein mit dem Antriebsring kraftschlüssig verbundenes Kontaktglied eine hohe Beschleunigung. Durch das Kontaktglied gelangt das bewegliche Schaltstück schnell in die volle Ausgangsstellung. Mit solchen Auslösern können Schaltzeiten von der Impulseinleitung bis zur Schaltstücktrennung in der Größenordnung von etwa 0,5 ms erreicht werden. Durch diese kurzen Eigenzeiten werden ansteigende Kurzschlußströme entsprechend begrenzt.In a known embodiment of such a quick release, the magnetic field of a coil through which alternating current or a current with a high rate of rise flows induces current in the opposite direction in a drive ring magnetically coupled to it. The repulsive effect of the two currents causes a contact element that is force-locked to the drive ring to be accelerated rapidly. The contact element quickly moves the movable contact piece to its full initial position. With such releases, switching times from the pulse initiation to the contact piece separation of the order of around 0.5 ms can be achieved. These short natural times limit increasing short-circuit currents accordingly.
Aus der DE 15 90 296 C2 ist ferner bekannt, daß ein Lichtbogen mit hoher Stromstärke in einem engen Spalt gelöscht werden kann. Der Lichtbogen wird entweder durch Kontakttrennung im Spalt erzeugt oder durch elektrodynamische Kräfte hineingezwängt. Die Lichtbogensäule nimmt dann im flachen Spalt einen bandförmigen Querschnitt an und kommt dadurch großflächig mit den Spaltwänden in Berührung, die vorzugsweise aus Isolierstoff bestehen können. Im Spalt entsteht durch den Lichtbogen eine Druckerhöhung, die eine entsprechende Erhöhung der Lichtbogenfeldstärke zur Folge hat. Es können beispielsweise in eine Löschkammer hineinragende, einander radial gegenüberstehende federnde Kontaktstücke verwendet werden, die bei geschlossenem Schalter miteinander in elektrisch leitender Verbindung stehen und die während der Ausschaltvorganges durch Zwischenschieben eines aus Isolierstoff bestehenden Schiebers getrennt werden. Die rohrförmige Löschkammer hat eine Längsbohrung, die dem Querschnitt des Schiebers angepaßt ist. Ein in den Schieber eingelegtes Metallstück verbindet die Kontakte in der Einschaltstellung. Beim Ausschaltvorgang wird der Schieber, der vorzugsweise ausIt is also known from DE 15 90 296 C2 that an arc with a high current intensity can be extinguished in a narrow gap. The arc is either generated by contact separation in the gap or forced in by electrodynamic forces. The arc column then takes on a band-shaped cross-section in the flat gap and thus comes into contact with the gap walls over a large area, which can preferably be made of insulating material. The arc causes an increase in pressure in the gap, which results in a corresponding increase in the arc field strength. For example, spring-loaded contact pieces protruding into an extinguishing chamber and positioned radially opposite one another can be used. These contact pieces are in electrically conductive connection with one another when the switch is closed and are separated during the switching-off process by inserting a slide made of insulating material between them. The tubular extinguishing chamber has a longitudinal bore that is adapted to the cross-section of the slide. A piece of metal inserted into the slide connects the contacts in the switched-on position. During the switching-off process, the slide, which is preferably made of
GR 98 G 3814 DEGR 98 G 3814 EN
einem bei erhöhter Temperatur gasabgebenden Material bestehen kann, zwischen die geöffneten Kontakte geschoben.a material that emits gas at elevated temperatures, is inserted between the open contacts.
Es wurde bereits erkannt, daß der strombegrenzende Mechanismus mechanischer Schalter erst ab einer vorbestimmten Stromstärke des Kurzschlußstromes und einem dementsprechenden Zeitverzug einsetzt. Der Einsatz elektronischer Mittel, beispielsweise zur Erfassung von Über- oder Kurzschlußströmen oder zur Selektivitatssteuerung, kann bei derartigen Schaltgeräten das Strombegrenzungsvermögen nicht wesentlich verbessern, weil der Schaltvorgang hier vom Verlauf der Kurzschlußstromkräfte abhängt.It has already been recognized that the current-limiting mechanism of mechanical switches only comes into effect when the short-circuit current reaches a predetermined level and a corresponding time delay has occurred. The use of electronic means, for example to detect overcurrents or short-circuit currents or to control selectivity, cannot significantly improve the current-limiting capacity of such switching devices because the switching process here depends on the course of the short-circuit current forces.
Aus der EP 0 450 104 Al ist schließlich ein Schnellschalter speziell zur Anwendung bei Niederspannungsanlagen bekannt, der einen Kontaktträger mit zylindrischer Oberfläche, die in der Bewegungsrichtung abwechselnd mit Kontaktringen und Isolierstoffringen versehen ist, enthält. Jedem Kontaktring sind zwei Kontaktstifte zugeordnet, die in der hohlzylindrisehen Löschkammer radial einander gegenüberstehen. Beim Ausschalten wird der Kontaktträger durch den Wirbelstromauslöser in axialer Richtung bewegt und die beiden am Umfang des Kontaktgliedes einander gegenüber entstehenden Lichtbogen werden in den Luftspalt gezogen und gelöscht. 25Finally, EP 0 450 104 A1 discloses a high-speed switch specifically for use in low-voltage systems, which contains a contact carrier with a cylindrical surface that is provided with contact rings and insulating rings alternating in the direction of movement. Each contact ring is assigned two contact pins that are radially opposite one another in the hollow cylindrical arcing chamber. When switching off, the contact carrier is moved in an axial direction by the eddy current release and the two arcs that arise opposite one another on the circumference of the contact element are drawn into the air gap and extinguished. 25
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schnellschalter zur Anwendung im Mittelspannungsbereich zu schaffen.Based on this, it is the object of the invention to create a high-speed switch for use in the medium voltage range.
Die Aufgabe ist bei einem Schalter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit. den. kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention in a switch of the type mentioned at the outset with the characterizing features of claim 1. Further developments are specified in the subclaims.
Der erfindungsgemäße Schalter hat einen einfachen Aufbau und ermöglicht durch die materialmäßige Ausgestaltung aufgrund der Löschgasbildung auch im Mittelspannungsbereich in sehr kurzer Zeit die Löschung von Strömen mit großer Stromstärke.The switch according to the invention has a simple structure and, due to the material design, enables currents with a high current intensity to be extinguished in a very short time even in the medium voltage range due to the formation of extinguishing gas.
GR 98 G 3814 DE. GR 98 G 3814 DE.
Der zwischen dem Kontaktträger und der Innenwand der Löschkammer gebildete Spalt wird auch bei sehr hohen Stromstärken 5 mm nicht wesentlich überschreiten und vorzugsweise höchstens 0,5 mm, insbesondere höchstens 0,2 mm, betragen. 5The gap formed between the contact carrier and the inner wall of the arcing chamber will not significantly exceed 5 mm even at very high current intensities and will preferably be no more than 0.5 mm, in particular no more than 0.2 mm. 5
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in Schnittdarstellung
10Further details and advantages of the invention emerge from the description of the figures based on the drawing in conjunction with the patent claims. They show in each case in sectional view
10
Figur 1 einen schnellarbeitenden, mechanischen Schalter imFigure 1 shows a fast-acting mechanical switch in
geschlossenen Zustand und
Figur 2 den Schalter aus Figur 1 im offenen Zustand.closed state and
Figure 2 shows the switch from Figure 1 in the open state.
Bei einem Schnellschalter mit einer Schaltkammer 1 und einer Löschkammer 3 gemäß den Figuren 1 und 2 ist ein Kontaktträger 2 in der Längsrichtung der Löschkammer 3 axial beweglich angeordnet. Die Bewegungsrichtung des Kontaktträgers 2 ist durch einen Richtungspfeil 4 angedeutet.In a high-speed circuit breaker with a switching chamber 1 and an arcing chamber 3 according to Figures 1 and 2, a contact carrier 2 is arranged to be axially movable in the longitudinal direction of the arcing chamber 3. The direction of movement of the contact carrier 2 is indicated by a directional arrow 4.
Der Kontaktträger 2 ist mit dem Antriebsring 6 eines Wirbelstromauslösers 5 form- und kraftschlüssig verbunden, dessen Magnetspule mit 7 bezeichnet ist. Der Wirbelstromauslöser 5 ist in einem erweiterten Teil der Löschkammer 3 angeordnet, die am anderen Ende mit einer Öffnung 8 versehen ist.The contact carrier 2 is positively and non-positively connected to the drive ring 6 of an eddy current release 5, the magnetic coil of which is designated 7. The eddy current release 5 is arranged in an extended part of the arcing chamber 3, which is provided with an opening 8 at the other end.
In der Längsrichtung des Kontaktträgers 2 sind in der Kammerwand 10 jeweils paarweise Kontaktstifte 11/14, 12/15 und 13/ 16 derart hintereinander angeordnet, daß ihre Enden in der Ruhestellung des Kontaktträgers 2, der aus einem zylindrischen Isolierstoffkörper besteht, jeweils auf um den Kontaktträger 2 umlaufenden Kontaktringen 21 bis 29 ruhen, die jeweils durch eine Isolierstoffzwischenlage voneinander getrennt sind. Die Kontaktstifte 11 bis 16 stehen unter einem Anpreßdruck, was in der Figur durch nicht im einzelnen dargestellte Federn bewirkt wird.In the longitudinal direction of the contact carrier 2, pairs of contact pins 11/14, 12/15 and 13/16 are arranged one behind the other in the chamber wall 10 in such a way that, in the rest position of the contact carrier 2, which consists of a cylindrical insulating body, their ends rest on contact rings 21 to 29 which run around the contact carrier 2 and are each separated from one another by an insulating intermediate layer. The contact pins 11 to 16 are under a contact pressure, which is caused by springs which are not shown in detail in the figure.
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Die Spule 7 des Wirbelstromauslösers 5 ist mit dem stromführenden Leiter über eine Fehlererkennungseinheit 30 und einen Schalter 31 verbunden. Die Fehlererkennungseinheit 30 überwacht laufend den Stromanstieg des Betriebsstromes und regt beim Überschreiten eines einstellbaren Stromanstiegs oder beim Überschreiten eines einstellbaren Ansprechwertes, beispielsweise dem 2- bis 5-fachen Nennstrom, durch einen impulsförmigen Auslösestrom die Spule 7 an. Durch den Auslösestrom werden im Antriebsring Wirbelströme mit zum Auslösestrom entgegengesetzter Richtung erzeugt. Die abstoßenden Kräfte bewegen den Kontaktträger 2 stoßartig in Richtung des Pfeiles 4.The coil 7 of the eddy current release 5 is connected to the current-carrying conductor via a fault detection unit 30 and a switch 31. The fault detection unit 30 continuously monitors the current increase of the operating current and, if an adjustable current increase or an adjustable response value, for example 2 to 5 times the nominal current, is exceeded, it excites the coil 7 with a pulse-shaped tripping current. The tripping current generates eddy currents in the drive ring in the opposite direction to the tripping current. The repulsive forces move the contact carrier 2 in a jerky manner in the direction of arrow 4.
Die elektrisch leitenden Kontaktringe 27 bis 29 sind derart angeordnet, daß mit der Bewegung des Kontaktträgers 2 Trennstrecken zwischen den unteren Enden der Kontaktstifte 11/14, 12/15 und 13/16 und den Kontaktbereichen des Kontaktträgers geöffnet werden. Der entstehende Lichtbogen an diesen Trennstellen wird mit der Bewegung der Kontaktbrücke in einen engen Spalt 20 zwischen dem Kontaktträger 2 und der Kammerwand 10 hineingezogen. Durch die Begrenzung des Bogenvolumens erhält man eine entsprechend erhöhte Lichtbogenspannung und der Strom wird nach kurzer Zeit gelöscht, sofern geeignete Materialien für den Kontaktträger 2 bzw. der Oberfläche und die Schaltkammer 1 bzw. die der Löschkammer 3 zugewandten Bereiche gewählt wird.The electrically conductive contact rings 27 to 29 are arranged in such a way that with the movement of the contact carrier 2, separating gaps are opened between the lower ends of the contact pins 11/14, 12/15 and 13/16 and the contact areas of the contact carrier. The arc that is created at these separating points is drawn into a narrow gap 20 between the contact carrier 2 and the chamber wall 10 with the movement of the contact bridge. By limiting the arc volume, a correspondingly increased arc voltage is obtained and the current is extinguished after a short time, provided that suitable materials are selected for the contact carrier 2 or the surface and the switching chamber 1 or the areas facing the extinguishing chamber 3.
Die Schaltkammer 1 und der Kontaktträger 2 bestehen aus elektrisch isolierendem Hartgewebe. Zumindest an der innerwandigen Oberfläche zur Löschkammer 3 und der äußeren Oberfläche des Kontaktträges 2 sind beide aus thermoplastischen oder duroplastischen Materialien mit geeigneten Zusätzen gebildet. Bei Verwendung von thermoplastischem Material wird ein Zusatz von Füllstoffen mit hohem Ionisierungspotential bzw. hohem Stickstoffanteil gewählt. Bei Verwendung von duroplastischen Materialien kommen entweder aliphatische EPIC-Formstoffe oder cycloaliphatische Epoxid/Säureanhydrid-Systeme mit jeweilsThe switching chamber 1 and the contact carrier 2 are made of electrically insulating hard fabric. At least on the inner wall surface of the arcing chamber 3 and the outer surface of the contact carrier 2, both are made of thermoplastic or thermosetting materials with suitable additives. When using thermoplastic material, an addition of fillers with a high ionization potential or a high nitrogen content is selected. When using thermosetting materials, either aliphatic EPIC molding materials or cycloaliphatic epoxy/acid anhydride systems are used, each with
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geeigneten Füllstoffen in Frage. Auch Mischungen sind möglich. Vorteilhafterweise entsteht dadurch ein geeignetes Löschgas für den im Spalt 20 zwischen Kontaktträger 2 und Löschkammerwand sich ausbildenden Lichtbogen. 5suitable fillers. Mixtures are also possible. This advantageously produces a suitable quenching gas for the arc that forms in the gap 20 between the contact carrier 2 and the quenching chamber wall. 5
In den Figuren 1 und 2 hat ein Schnellschalter speziell sechs Kontaktstifte 11 bis 16 , von denen jeweils zwei paarweise in der Wand der hohlzylindrischen Löschkammer 3 radial einander gegenüberstehen. Der zylindrische Kontaktträger 2 mit einem Durchmesser von beispielsweise D = 15 mm ist an seinem Umfang mit Kontaktringen 27 bis 29 versehen, deren Abstand so gewählt ist, daß sie in der Ruhelage des Kontaktträgers 2 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den einander gegenüberstehenden Kontaktstiften 11 und 14, 12 und 15 sowie 13 und 16 bilden.In Figures 1 and 2, a high-speed switch has specifically six contact pins 11 to 16, two of which are arranged in pairs radially opposite one another in the wall of the hollow cylindrical arcing chamber 3. The cylindrical contact carrier 2 with a diameter of, for example, D = 15 mm is provided on its circumference with contact rings 27 to 29, the spacing of which is selected such that, in the rest position of the contact carrier 2, they form an electrically conductive connection between the opposing contact pins 11 and 14, 12 and 15 and 13 and 16.
Jeweils abwechselnd sind zwei radial in gleiche Richtung weisende Kontaktstifte durch Kupferschienen 21 bis 24 miteinander verbunden. Dies bedeutet, daß zwischen den beiden Kontaktstiften 12 und 13 sowie 14 und 15 galvanische Verbindungen bestehen, womit die einzelnen jeweils durch Kontaktstift und Kontaktring gebildeten Schaltelemente elektrisch hintereinandergeschaltet sind, so daß Spannungen im Mittelspannungsbereich von 6 bis 24 kV bewältigt werden können. Bei der Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2 ist die Schaltspannung beispielsweise 6000 V. Proportional der Anzahl der Schaltelemente können höhere Spannungen geschaltet werden. Two contact pins pointing radially in the same direction are alternately connected to one another by copper bars 21 to 24. This means that there are galvanic connections between the two contact pins 12 and 13 and 14 and 15, whereby the individual switching elements formed by the contact pin and contact ring are electrically connected in series so that voltages in the medium voltage range of 6 to 24 kV can be handled. In the arrangement according to Figures 1 and 2, the switching voltage is, for example, 6000 V. Higher voltages can be switched proportionally to the number of switching elements.
Mit der Bewegung des Kontaktträgers 2 entsteht zwischen den Kontaktringen 27 bis 29 und den anliegenden Enden der Kontaktstifte 11 bis 16 jeweils eine Trennstelle, an der ein Lichtbogen gezogen wird. Mit zunehmendem Abstand zwischen den Kontaktringen 27 bis 29 und den Kontaktstiften 11 bis 16 werden die Lichtbögen in den Spalt 20 mit einer Breite von beispielsweise 5 = 0,2 mm hineingezogen und gelöscht.With the movement of the contact carrier 2, a separation point is created between the contact rings 27 to 29 and the adjacent ends of the contact pins 11 to 16, at which an arc is drawn. As the distance between the contact rings 27 to 29 and the contact pins 11 to 16 increases, the arcs are drawn into the gap 20 with a width of, for example, 5 = 0.2 mm and extinguished.
GR 98 G 3814 DE# ,,. . &phgr;. GR 98 G 3814 DE # ,,. . φ .
Mit der beschriebenen Ausführungsform eines Mittelspannungsschalters für eine Schaltspannung von beispielsweise U3 = 6 kV und einen Nennstrom In = 200 A kann bei einem prospektiven Kurzschlußstrom von bis zu Ip = 100 kA der Durchlaßstrom ID auf einen Scheitelwert von etwa 10 kA begrenzt werden. Entsprechendes gilt für höhere Spannungen.With the described embodiment of a medium-voltage switch for a switching voltage of, for example, U 3 = 6 kV and a nominal current I n = 200 A, the let-through current I D can be limited to a peak value of about 10 kA for a prospective short-circuit current of up to I p = 100 kA. The same applies to higher voltages.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20000531 |
|
| R156 | Lapse of ip right after 3 years |
Effective date: 20020702 |