DE3103373A1 - Hochspannungsschalter - Google Patents

Description

V.

Erfinder und Anmelder:

Prof. Dr. techn. habil. Ernst Slamecka

-y-

Hochspannungsschalter

Gegenstand der Erfindung und Anwendungsbereich

Die Erfindung betrifft Last- und/oder Leistungsschalter für Hoch- und Höchstspannungsnetze. An der Polsäule sind drei Schalteinheiten angeordnet.

Zur Stromunterbrechung dient insbesondere das Prinzip der DruckgasbestrÖmung des Schaltlichtbogens oder der Lichtbogenlöschung im Vakuum.

Die Schalter können für die Aufstellung in atmosphärischer Luft gebaut sein. Sie können aber auch gekapselt sein mit Druckgasisolation in der Kapselung.

Ihre Schaltaufgabe besteht aus dem wiederholten Ein- und Ausschalten von Betriebsmitteln und gegebenenfalls zusätzlich aus dem Unterbrechen von Kurzschlußströmen. Gelegentlich kann auf einen Kurzschluß im Netz eingeschaltet werden. Ebenso gelegentlich werden mit dem offenen Schalter Teilnetze voneinander isoliert.

Stand der Technik

Eine Möglichkeit drei Sehalteinheiten an einem Schalterpol anzuordnen wird in DE-OS 29 06 941 beschrieben.

Nach dieser Version liegen jedoch die drei Schalteinheiten nicht symmetrisch zur Längsachse des Echalterpoles. Auch der Antrieb der Schalteinheiten erfolgt nicht zentral.

Daher befindet sich der Schalterpol weder im ruhenden Zustand noch während des Schaltens im Gleichgewicht. Seitenkräfte auf den Stützisolator sind die Folge.

Daß die Antriebskraft den drei Schalteinheiten nicht zentral zugeführt wird, bringt noch weitere Nachteile mit sich:

So sind mindestens zwei Kraftverteilungsgehäuse und verhältnismäßig komplizierte UmIenkungseinrichtungen für die Antriebskräfte erforderlich. Eine solche Ausführung vermindert den Getriebewirkungsgrad und erhöht die Herstellungskosten des gesamten Schalterpoles. Die verhältnismäßig große Zahl an insbesondere beweglichen Bauelementen kann die Zuverlässigkeit der Konstruktion negativ beeinflußen.

Alle Probleme werden noch gravierender, wenn der Schalterpol mit schaltbaren Widerständen parallel zu den Schalteinheiten ausgerüstet ist.

Eine weitere Möglichkeit drei Schalteinheiten an einem Pol anzuordnen beschreibt die DE-OS 29 09 865 . Doch auch hier sind die Schalteinheiten nicht symmetrisch zur Längsachse des Schalterpoles angeordnet, und sie werden auch nicht zentral angetrieben. Das Resultat ist dasselbe wie schon in dem Kommentar zu dem ersten Lösungsvorschlag festgestellt.

Bekannt ist es ferner drei Schalteinheiten bei der Anordnung an einem Schalterpol mechanisch in Reihe zu schalten, DE-OS 26 01 857, DE-OS 26 48 964.

Die Sehalteinheiten sind dann zwar achsialsymmetrisch zum Pol angeordnet. Mit dieser speziellen Anordnung verbinden sich jedoch nicht nur mechanische Probleme des Reihen-Kraftabtriebs sondern auch dielektrische Probleme, z. B. verursacht durch Kraftabtriebselemente parallel zu den Schaltstrecken der in Reihe liegenden Schalteinheiten.

Hinzu kommt noch eine natürliche Beschränkung in der Anwendung:

Mechanische Reihenschaltungen von drei Schalteinheiten an einem Schalterpol ergeben in atmosphärischer Luft eine untragbar große Bauhöhe. Sie sind daher nur für gekapselte Schalter mit Druckgas-Isolation in der Kapselung geeignet.

So bleibt die große Zahl der in atmosphärischer Luft aufzustellenden Schalter von dieser Möglichkeit drei Schalteinheiten an einem Schalterpol anzuord- nen grundsätzlich ausgeschlossen.

Unter solchen Aspekten muß ein Schalterbauprogramm, das sowohl Freiluftschalter als auch gekapselte Schalter umfaßt, hinsichtlich des Antriebskonzeptes auf Einheitlichkeit verzichten.

Wird es einmal notwendig auch einen Schalterpol mit mechanischer Reihenschaltung der Schalteinheiten durch Schaltwiderstände zu ergänzen, dann vergrößern sich die inherenten Probleme mechanischer und dielektrischer Natur.

Aufgabe der Erfindung

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe in einer Gesamtplanung insbesondere Schalter für sehr hohe Spannungen technisch zu verbessern, ihre Herstellungskosten zu senken und ihre Zuverlässigkeit zu erhöhen. Dabei gilt das Hauptinteresse den mit drei Schalteinheiten ausgerüsteten Schalterpolen.

Durch die Existenz von Schalteinheiten mit Nennspannungen von 245 kV und ihre erfolgversprechende Weiterentwicklung bis zu Nennspannungen von über 300 kV gewinnt dieser Schalterpoltyp zunehmend an Bedeutung. Das zu lösende Hauptproblem besteht in der optimalen Anordnung solcher Hochleistungs-Schalteinheiten.

Belastend auf eine Optimallösung würde sich die Verwendung herkömmlicher Schaltgetriebe auswirken zur Übertragung der Antriebskraft von der zentralen Schaltstange des Schalterpoles auf die drei Schalteinheiten. Also muß dafür ebenfalls eine verbesserte Lösung gefunden und integriert werden, damit die Vorteile der verbesserten Anordnung der Schalteinheiten voll zur Geltung kommen«

Eine weitere mit der Gesamtplanung eng verbundene Aufgabe lautet, die oft benötigten schaltbaren Widerstände parallel zu den Schalteinheiten neuartig, konstruktiven Aufwand und Gewicht reduzierend anzuordnen. Zur Vervollständigung dieser Verbesserung gehört eine fortschrittliche Konstruktion des Antriebs der Widerstandsschalteinrichtung.

Zusammengefaßt bestehen folgende Aufgaben:

1. Zentrale Anordnung von drei Schalteinheiten an einem Schalterpol

2. Zentrale Zuführung der Antriebskraft an jede einzelne Schalteinheit

3. Ausgeglichenheit des mechanischen Systems 10

4. Vereinfachung der Konstruktionsteile und Verminderung ihrer Zahl

5. Optimale Anpassungsfähigkeit der Zahl der Schalteinheiten pro Pol an die variierenden Beanspruchungen in Hoch- und Höchstspannungsnetzen, das heißt, unter Nutzung des Vorteils nach Punkt 1 sollen je nach Bedarf an einem Schalterpol zwei, drei, vier, fünf und sechs Schalteinheiten vorgesehen werden können.

6. Minimierung der Zahl der Stützersäulen pro Schalterpol bis hinauf zu den größten Kurzschluß-Ausschaltströmen und höchsten Spannungen. Das bedeutet in Zahlen:
bis zu 420 kV nicht mehr als ein Stützer pro Pol und

bis zu 1600 kV nicht mehr als zwei Stützer pro Pol.

7. Schaltwiderstände mit vereinfachter Widerstandsachalteinrichtung parallel zu nur zwei Schalteinheiten einer Dreieranordnung

Darstellung der Erfindung

Die vorstehend gestellten Aufgaben werden durch, die im Patentanspruch 1 sowie in den folgenden Patentansprüchen definierten und nachstehend beschriebenen Konstruktionsmerkmale gelöst:

An einem gegen Erde oder gegen eine Metallkapselung elektrisch isoliert aufgestellten Gehäuse sind drei Schalteinheiten angeordnet.

Zwei Schalteinheiten sind daran mit ihren antriebsseitigen Montageflächen elektrisch leitend befestigt. Eine dritte Schalteinheit ist unter Einfügung eines elektrisch isolierenden Zwischenelementes angeschlossen.

Die Antriebskräfte für Schaltstücke und Lichtbogenlöscheinrichtungen werden jeder Schalteinheit aus dem Bereich des Gehäuses zugeleitet.

Strom- Zu- und Ableitungen der Schalteinheiten sind elektrisch in Reihe geschaltet.

Eine bevorzugte Anordnung besteht darin, daß eine Schalteinheit im wesentlichen vertikal und zwei Schalteinheiten seitlich ausgerichtet sind. An dem Gehäuse isoliert befestigt kann entweder die senkrecht stehende Schalteinheit oder eine der beiden seitlich angeordneten Schalteinheiten sein.

Die Spannung wird im allgemeinen gleichmäßig über die Schalteinheiten verteilt. In einer vorteilhaften "Variante kann jedoch die Spannungsverteilung auch ungleichmäßig erfolgen. Z. B. so, daß auf die senkrecht angeordnete Schalteinheit ein größerer oder auch ein kleinerer Spannungsanteil entfällt als auf jede der

Die drei Schalteinheiten "befinden sich im oder nahezu im ausgewogenen Gleichgewicht bezüglich der Längsachse des Schalterpoles.
Die beweglichen Bauteile sind dynamisch ausgewuchtet.

Zur Übertragung der Antriebskraft an die aktiven Schaltelemente in den Schalteinheiten eines Schalterpoles wirkt der Hauptantrieb über eine Schaltstange auf einen in einem Gehäuse drehbar gelagerten Körper ein. Von diesem Körper führen drei oder mehr Getriebestangen die Antriebskraft den Schalteinheiten zu.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Getriebekörper geteilt. Die Schaltstange wirkt auf beide Teilkörper symmetrisch zur Drehachse ein. Die Getriebestangen zur Ableitung der Antriebskraft sind an "beiden Teilkörpern symmetrisch zur gemeinsamen Drehachse gelenkig befestigt.

Bei Schaltern, die zum Schalten von Freileitungen oder induktiven Lasten eingesetzt werden, ist parallel zu zwei der insgesamt drei an einem elektrisch isoliert aufgestellten Gehäuse befestigten Schalteinheiten je ein schaltbarer Widerstand angeordnet. Bevorzugt ist die Anordnung dieser schaltbaren Widerstände parallel zu den seitlich an dem Gehäuse befestigten Schalteinheiten.

Zur:: Einschalten des Widerstandes wird ein bewegbares Schaltstück von einer Schaltkurve ( Schaltnocke ) angetrieben. Beim Ausschalten des Widerstandes erhält dac bewegbare Schaltstück den Antrieb von einem während des Einachaltens aufladbaren Kraftspeicher. Die Reihenschaltung der beiden schaltbaren Widerstände erfolgt während ihrer Betätigung unter Spannung durch einen Vorüberschlagslichtbogen in der dritten Schalteinheit.

Äusführungsbeispiele

Für das weitere Verständnis der Erfindung werien ihre wesentlichen Merkmale an Hand von Ausführungsbeispielen dargelegt.

Diese Beispiele schränken die Erfindung in ihrer vielgestaltigen Ausführbarkeit nicht ein. Keinerlei Einschränkung ergibt sich auch aus ien gegenständlichen Hinweisen im Text der Patentansprüche.

Zur Hervorhebung des Wesentlichen können überall dort, wo es nützlich erscheint, darstellerische Vereinfachungen getroffen werden und zeichnerische Proportionen von den technisch/physikalisch bedingten abweichen. Dadurch wird das ordentliche Funktionieren der nach der gegebenen Lehre und den einschlägigen Regeln der Technik hergestellten Schalter nicht beeinträchtigt.

Fig. 1 zeigt den Pol eines dreipoligen Hochspannungsschalters für Freiluft-Aufstellung, Nennspannung 765 kV

Fig. 2 verdeutlicht schematisch das mechanische und elektrische Funktionieren eines erfindungsgemäßen Schalters

Fig„ 5 stellt den Pol eines dreipoligen Hochspannungsschalters in metallischer Kapselung mit SFg Isolation dar, Nennspannung 765 kV

/12.

informiert lib er ein Typprogramm, das durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Hochspannungsschalters realisierbar wird

veranschaulicht ein Tollsymmetriertes Schaltgetriebe für den zentralen Antrieb von drei Schalteinheiten an einem Pol.

enthält eine vereinfachte Version des Schaltgetriebes nach Fig. 5

Fig. 7 führt einen Schalterpol in metallischer Kapselung und SFg-Isolation mit einer Nennspannung von 1200 kV vor Augen

Fig. 8 demonstriert die Anwendung der Erfindung auf einen metallgekapselten SFg-isolierten Schalterpol mit einer Nennspannung von 1600 kV

Zu Pig. 1

Diese Fig. stellt den Pol eines dreipoligen Freiluft-Hochspannungsschalters mit einer Nennspannung von 765 kV dar.

Auf das Tragrohr (1), das zweckmäßig auch als Gehäuse für den nicht dargestellten Schalterantrieb verwendet wird, ist ein hohler Stützisolator (2) aufgesetzt. An seinem der Erde angewandten Ende tragt der Stützer das metallische Gehäuse (3). Es erfüllt folgende Aufgaben:

Zum einen sind daran die Schalteinheiten (4), (5), (6) befestigt. Zum anderen nimmt es das nicht dargestellte Schaltgetriebe auf. Damit wird die Bewegung der Schaltstange, die sich im Hohlstützerraum befindet, in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis auf die aktiven Bauteile der Schalteinheiten übertragen; sie sind mit (7) angedeutet.

Die Schalteinheit (4) ist mit ihrem Montageflansch (8) unter Einfügung eines metallischen Zwischenstückes (9) an dem Gehäuse montiert. Mechanisch in derselben Weise, jedoch unter Einfügung eines isolierenden Zwischenstückes (10), ist die Schalteinheit (6) mit dem Gehäuse verbunden. Direkt daran ist die Schalteinheit (5) befestigt.

Die Schalteinheiten (4), (6) sind in einem von der Waagrechten sich nach unten öffnenden Winkel angeordnet. Eine derartige Anordnung bietet Vorteile wie z. B. :

Senkung des resultierenden Schwerpunktes der Schalteinheiten des Schalterpoles,

ζ. B. "bis in den Bereich, des Gehäuses. Dies ist "bedeutsam unter anderem hinsichtlich der Erdbebenfestigkeit.

Koordination der Spannungsfestigkeit von Erd- und Schaltstrecken- Isolation. Bei an den Klemmen des offenen Schalters ankommenden die Nenn-Spannungsfestigkeit übersteigenden Spannungsimpulsen erfolgt dann zuerst der die Schaltstreckenisolation entlastende Überschlag gegen Erde.

Schaltpartikel fallen aus den Unterbrecherräumen der Schalteinheiten heraus. Eine Beeinträchtigung der Schaltstreckenisolation ist a priori ausgeschlossen.

Bessere Raumausnützung durch Verkleinerung des Längsabstandes zwischen den Anschlußklemmen.

Zu den Sehaltaufgaben des dargestellten Schalterpoles möge auch das Einschalten unbelasteter Freileitungen gehören. Erfolgt dieses Einschalten ohne besondere Vorkehrungen, so entstehen am offenen leitungsende unter ungünstigen Schaltbedingungen hohe Überspannungen.

Solange Überspannungsableiter nicht in der Lage sind die Einschaltüberspannungen auf entsprechend niedrige Werte zu begrenzen oder unter wirtschaftlichen Aspekten den relativ größeren Aufwand bedeuten, empfielt sich die Verwendung von Einschaltwiderständen. Dabei wird die unbelastete Leitung zunächst über einen Dämpfungswiderstand an die Netzspannung gelegt. Nach einer Einwirkungsdauer von etwa 10 ms überbrücken ihn die Schaltstücke der Schalteinheiten.

Solche schaltbaren Dämpfungswiderstände (11), (12) sind gleichfalls an dem Gehäuse (3) angebracht. Dafür gibt es verschiedene Ausführungsmöglichkeiten:

Links von der Mittellinie des Schalterpols ist an der flachen Seite des Gehäuses (3) ein kurzes Winkelrohr (13) mit dem Montageflansch (14) angesetzt. Von diesem Flansch wird über ein metallisches Zwischenstück (15) der Dämpfungswiderstand (11) getragen. Er setzt sich aus einem waagrecht und aus einem senkrecht angeordneten Teilwiderstand zusammen. Durch das metallische Gehäuse (16) sind die Teilwiderstände zu der Einheit (11) verbunden. In dem Zwischengehäuse befinden sich die Schaltstücke zum Ein- und Ausschalten des Widerstandes.

Rechts von der Mittellinie des Schalterpols ist in einer AusführungsVariante der Schaltwiderstand (12) direkt an dem zu diesem Zweck etwas hochgezog-enen Gehäuse (3) befestigt. Die weitere Ausführung entspricht derjenigen auf der linken Seite der Polansicht bis auf das Zwischenstück (18), das analog zu dem Zwischenstück (10) ebenfalls aus Isolierstoff gefertigt ist.

Die Dämpfungswiderstände, die in raumsparender Bauweise nur zu zwei Schalteinheiten parallelgeschaltet sind, weisen einen die Schaltüberspannungen optimal dämpfenden Widerstandswert auf. Br gleicht etwa dem Wellenwiderstand der Freileitung.

Beim Einschalten nimmt der Strom bis zum Schließen der Schaltstücke der Schalteinheiten folgenden Weg:

Anschlußklemmen (19), Leiter (22), Widerstand (11), Zwischenstück (15), Schalteinheit (5), Leiter (21),

Widerstand (12), Leiter (22), Anschlußklemme (23).

Sobald der Schalterpol voll eingeschaltet hat, fließt der Dauerstrom von den Anschlußklemmen (19) über Schalteinheit (4), Leiter (24), Zwischenstück (15), Schalteinheit (5), Lei (21), Leiter (25), Schalteinheit (6) zur Anschlußklemme (23).

Mit der dargestellten Dreieranordnung von Schalteinheiten lassen sich bei entsprechenden Unterbrechersys temen Kurzschlußströme bis 50 kA ausschalten, ohne daß damit eine physikalische Grenze erreicht worden wäre. Der Einsatzbereich der Anordnung an sich reicht hinab bis zu einer Nennspannung von etwa 300 kV.

Wie in diesem Nennspannungsbereich die Zuordnung der Nenn-Kurzschlußausschaltströme aussieht, zeigt die nachstehende Tabelle.

U kV	Schal ter	300	362	420	550	765
I IcA	Pol	115	100	80	63	50
P GVA pro		60	62	58	60	66
	30	31	29	30	33
26	27	25	26	29

S^

-41.

Zu Pig. 2

Das mechanische und elektrische Puntionieren eines erfindungsgemäßen Schalters wird an Hand eines einfachen PunktionsSchemas yerdeutlicht.

Mit (26) ist die in Pig. 1 nicht sichtbare zentrale Schaltstange des Schalterpols bezeichnet. Sie verzweigt sich, und ihre Zweige sind über Schaltgeschwindigkeitswandler (27) mit den Schalteinheiten (4), (5), (6) sowie über Schaltgeschwindigkeitswandler (28) mit den Schaltstücken (17) der schaltbaren Dämpfungswiderstände (11), (12) verbunden.

Außerdem liegen parallel sowohl zu den Schalteinheiten als auch zu den schaltbaren Widerständen Steuerkondensatoren (29). Damit wird die Verteilung der Spannung über Schalteinheiten und Schaltwiderstände im schaltenden und im ausgeschalteten Zustand vergleichmäßigt.

Sobald der Antrieb des Schalterpols zu einer Einschaltung ausgelöst wird, laufen im wesentlichen folgende mechanische und elektrische Vorgänge ab: In den Schaltkammern der Schalteinheiten nähern sich die beweglichen Schaltstücke den feststehenden. Die beweglichen Schaltstücke in den Widerstandsschaltkammern führen die Einschaltbewegung mit einem durch die Schaltgeschwindigkeitswandler (28) einstellbaren Vorlauf gegenüber den beweglichen Schaltstücken der Sehalteinheiten aus.

Daher erfolgen Vorüberschlag und Kontakt zuerst an den Schaltstücken der Widerstände.

Wenn der Einschaltlichtbogen an den Schaltstücken der Widerstände (11), (12) zündet, ist die mittlere

Schalteinheit (5) der vollen Einschaltspannung ausgesetzt. Das "bewegliche Schaltstück dieser Schalteinheit hat bereits eine bestimmte Strecke des Einschalthubes zurückgelegt. Dementsprechend ist die Spannungsfestigkeit der verbleibenden Schaltstrecke reduziert. Unmittelbar auf die Zündung des Lichtbogens zwischen den Schaltstücken der Schaltwiderstände erfolgt also auch der Übersehlag zwischen den Schaltstücken der Schalteinheit (5).
10

Nun befinden sich die Schaltwiderstände im Laststromkreis und dämpfen den Ausgleichsvorgang und damit die Schaltüberspannungen. Dieser Zustand ist in der Pig. zu sehen.

Die beweglichen Schaltstücke der Schalteinheiten setzen die Einschaltbewegung fort. Nach dem Ablauf einer bestimmten Zeit werden die Schaltwiderstände durch die Schaltstücke der Schalteinheiten (4), (6) überbrückt. Damit ist die Freileitung betriebsmäßig an das speisende Netz angeschlossen.

Der Strom durch den als transienter Leiter herangezogenen Einschaltlichtbogen in der Schalteinheit (5) ist nicht groß. Im ungestörten, den Regelfall darstellenden Betrieb ist es der durch den Schaltwiderstand etwas verkleinerte Ladestrom der Freileitung von maximal einigen Hundert Ampere.

Bei einem eventuellen Einschalten auf einen Kurzschluß wird der Kurzschlußstrom durch den Schaltwiderstand auf Werte begrenzt, die klein sind im Verhältnis zum Nenn-Kurzschlußausschaltstrom des Schalters. Solche, und auch nur während einer sehr kurzen Zeit brennende Eiiischaltlichtbögen, können von Lichtbogenschaltstücken problemlos geführt werden,insbesondere dann, wenn sie aus Graphit bestehen.

^ψ Μ

Einen weiteren Vorteil bietet das erfindungsgemäße Prinzip des transienten Lichtbogenleiters bei seiner Anwendung auf das Einschalten des Parallelwiderstandes.

Das bewegliche Lichtbogenschaltstück braucht dann keinen metallischen Kontakt herzustellen. Bereits nach der Zündung des Einschaltlichtbogens kann es in die Ausgangsposition zurückgebracht werden. So ist nur noch ein leichter Triggerstift nötig, der diesen Lichtbogen zwischen zwei feststehenden Elektroden zündet. Bei entsprechender Form dieser Elektroden und mit Graphit als Elektrodenwerkstoff bleibt die Lichtbogenerosion minimal.
An der Elektrodenoberfläche bilden eich keine das elektrische Feld schädlich beeinflußenden Unrauhigkeiten. Im ausgeschalteten Zustand erfährt die Spannungsfestigkeit zwischen den Widerstandsschaltelektroden kaum eine Einbuße.

Mehr über eine vorteilhafte den erfindungsgemäßen Schalter erheblich vervollständigende Schaltvorrichtung für den Widerstand ist aus Fig. 9 und der zugehörigen Beschreibung zu erfahren.

Zu Fig. 3

Die erfindungsgemäße Anordnung von Schalteinleiten und Schaltwiderständen ist nicht auf Schalter für 3?reiluftaufstellung begrenzt. Vielmehr läßt sich diese konstruktive Lösung mit Vorteil auch "bei Schaltern in metallischer Kapselung und Si>-Isolation anwenden. Dazu zeigt Fig. 3 die Schnitt-Ansicht eines Schalterpols. Seine Nennspannung beträgt gleichfalls 765 kV. Sein Nenn-Ausschaltstrom sei weiterhin 50 kA.

Der hier abgebildete Schalterpol möge zu einem Transformatorschalter gehören und ein - nicht dargestelltes Stromunterbrechungssystem besitzen, das beim Ausschalten kleiner induktiver Ströme nur sehr kleine Schaltspannungen erzeugt. Deshalb sind weder Ein- noch Ausschaltwiderstände notwendig.

In dem mit SPg gefüllten Behälter (29) trägt das Isolierstoffrohr (30) das Gehäuse (3). Daran sind die Schalteinheiten (4), (6) direkt und schaltbar befestigt. Die Schalteinheit (5) ist unter Einfügung des Isolierstoffrohres (31) schaltbar auf das Gehäuse gesetzt. ^- Zur Kapselung der Schalteinheit (5) schließt sich an den Behälter (29) der Behälter (3"2) an.

In der gewählten vereinfachenden Darstellung enthalten die Umriss© der Schalteinheiten auch die Kondensatoren zur Spannungssteuerung über den Schalterpol. Ihre Kapazität kann in einem einzigen Kondensator pro Schalteinheit konzentriert sein. Sie läßt sich aber auch auf mehrere Kondensatoren verteilen, die dann zweckmäßigerweise die Schalteinheiten konzentrisch umgeben. Die Antriebskräfte werden den Schalteinheiten über eine im Isolierrohr (30) angeordnete zentrale Schaltstange

til

und ein im Gehäuse (3) "befindliches Schaltgetriebe zugeleitet.

Die elektrische Reihenschaltung der Schalteinheiten (4), (6) erfolgt über das Gehäuse (3) und/oder einen dazu elektrisch parallel geschalteten nicht dargestellten leiter. Mit der Schalteinheit (5) sind diese Schalteinheiten durch den Leiter (33) im Winkelrohr (34) verbunden.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform können analog zu Fig. 1 die Sehalteinheiten (4)_f (5) dierekt über das Gehäuse· (3) verbunden sein. Die Schalteinheit (6) wird dann über ein Isolierrohr angeschlossen. So läßt sich der Schalter in eine horizontale Leitungsführung einfügen.

Aber bereits die in dieser Pig. gezeigte Anordnung der drei Schalteinheiten besitzt eirae große Anpassungsfähigkeit an die Leitungsftihrungen in den verschiedenen Schaltstationen. Die Voraussetzung dafür bilden die im Bedarfsfall horizontal anbringbaren Rohrstutzen (36) oder (37).

Damit ist auch für den gekapselten Schaltertyp die Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe demonstriert.

Ergänzend sei noch zusammengefaßt:

1. Jede Schalteinheit läßt sich ohne Beeinflußung durch Konstruktionselemente, die für die anderen Schalteinheiten benötigt werden, mechanisch und dielektrisch optimal anordnen.

2. Keine potentiell schädliche gegenseitige Beeinflussung der Schalteinheiten eines Pols durch Schalt-

Partikel und/oder Gase. Daher a priori keine Minderung des Isolier- und Schaltvermögens des Schalters,

5. Besondere Eignung für die Elementenprüfung von zwei S ehalt einheit en, und zwar der "beiden seitlich angeordneten, da von der vertikal angeordneten Schalteinheit praktisch keine Rückwirkung zu erwarten ist. Man kommt also für eine beweisende Prüfung des Schaltvermögens dUeses Schaltertyps mit einer Hochleistungsprüfanlage aus, deren Prüfspannung nur der Nennspannung von zwei Sehalteinheiten, das sind rund 500 kV, äquivalent zu sein braucht.

Im anderen Fall müßte die Prüfanlage entsprechend der vollen Schalternennspannung von 765 kV erweitert werden, was sehr aufwendig wäre.

4. Zur Rationalisierung läßt sich der Raum im Winkelrohr (55) für die Unterbringung eines Stromwandlers ausnützen.
In einer vorteilhaften Variante ist dabei das z. B.

im Maßbiegeverfahren hergestellte Winkelrohr U-förmig - mit zwei ungleichen Schenkeln - ausgebildet. Die Verbindung mit dem Behälter (29) erfolgt an der in Fig. 3 duroh einen Deckel abgeschlossenen Stirnw 25 seite.

Nebenher wird so noch eine Flanschverbindung eingespart.

Zu Pig. 4

Die erfindungsgemäße Schalterbauf02m "besitzt eine ihren Eigenwert noch übersteigende Bedeutung. Denn damit wird es möglich - ohne das Abtriebsprinzip der Schaltkräfte an die Schalteinheiten wechseln zu müssen die Mehrfachunterbrechung bei Hochspannungsschaltern in Kleinststufen von jeweils einer Schalteinheit rationell aufzubauen.

Folgende Gesichtspunkte sind dabei zu berücksichten: 10

1. Die Zahl der Schalteinheiten je Schalterpol soll möglichst klein, das heißt, die Spannung U^ der einzelnen Schalteinheiten soll möglichst hoch sein,

2. Für Schalter mit einem höheren Nenn-Schaltvermögen - durch eine höhere Nennspannung oder einen grösseren Nenn-Kurzschlußausschaltstrom bedingt - sollen Schalteinheiten von bereits existierenden Schaltertypen mit kleineren Schaltvermögen verwendet werden können.

3. Die aus der Nennspannung der Teil-Schalteinheiten resultierende Summenspannung η χ U soll von der Nennspannung U des neu zu entwickelnden Schalters minimal abweichen.

Als Anwendungsbeispiel für diese ebenso einfachen wie wesentlichen G-rungregeln für den wirtschaftlichen Aufbau von Schaltern mit Mehrfachunterbrechung unter Einsatz· der erfindungsgemäßen Konstruktionsform enthält Pig. 4 eine Typreihe von 550 kV Schalterpolen für in Standardstufen ansteigende Nenn-Kurzschlußausschaltströme.

Zu Pig. 5

Bei den Schalterpolen nach Fig. 1 und 3 wird die Antriebskraft den Schalteinheiten zwar zentral zugeführt. Ihre Übersetzung in die einzelnen Abtriebskräfte erfolgt jedoch noch mit einem konventionellen Schaltgetriebe. Solche Getriebe sind vielteilig und haben einen großen Raumbedarf, der sich auch in einer grossen Bauhöhe des Getriebegehäuses bemerkbar macht.

Nicht zuletzt gilt es diese Bauhöhe bei dem erfindungsgemäßen Schalter klein zu halten. Dies gelingt in seiner kreativen Ausstattung mit einem nun zu erläuternden Schaltgetriebe.

Seine Einfachheit trägt wesentlich zum Gelingen der Gesamtkonstruktion bei.
15

In dem Gehäuse (3) sind auf der Achse (42) zwei halbscheibenförmige Getriebekörper (43), (44) drehbar gelagert. Diese Getriebekörper sind der Deutlichkeit halber sowohl in der Ansicht als auch in der Draufsieht dargestellt.

Mit den Getriebekörpern ist über die daran achsensymmetrisch und gelenkig befestigten Getriebestangen (45), (46) und den Kreuzkopf (47) die zentrale Schaltstange

(26) verbunden. Der Ansatz- (48) gibt dem Kreuzkopf die Führung. Von den Getriebekörpern führen zwei Getriebestangen (49), (50) zu den an den Kreuzköpfen (51), (52) befestigten Schaltstangen (53), (54). Damit werden die bewegbare Schaltelemente in den nicht dargestellten Schalteinheiten (4), (6) betätigt.

Ebenfalls von den Getriebekörpern (43), (44) führen zwei Getriebestangen (55), (56) achsensymmetrisch zu

dem Kompressionszylinder (52) der Schalteinheit (5). Er ist konzentrisch um das Rohr (58) angeordnet, das an seiner nicht mehr sichtbaren Stirnseite in eine Lichtbogenlöschdüse übergeht.
5

Ausschalten; Bei Einwirken einer durch einen Pfeil angedeuteten nach unten gerichteten Zugkraft de3 nicht dargestellten Schalterantriebs auf die Schaltstange (26) geht davon über die Getriebestangen (45), (46) eine Drehung der Getriebekörper (44), (43) im Sinn der eingezeichneten Drehpfeile aus. Dadurch wird die eingeleitete Zugkraft über die Getriebestangen (49), (50) den Schaltstangen (53), (54) der Schalteinheiten (4), (6) und über die Getriebestangen (55), (56) dem Kompressionszylinder (57) der Schalteinheit (5) anteilig zugeführt.

Als Folge dieser Krafteinwirkung bewegen sich die bewegbaren Schaltelemente in den Schalteinheiten in die Ausschaltposition. Nach einer Drehung der Getriebekörper um etwa 95 Grad ist sie erreicht.

Einschalten: Soll der Schalter ausschalten, dann muß sich die Richtung der an der Schaltstange (26) angreifenden Antriebskraft umkehren.

Sobald dies erfolgt, drehen sich die beiden Getriebekörper entgegengesetzt zu den eingezeichneten Pfeilrichtungen.

Dementsprechend kehren sich auch die Richtungen der von den Getriebekörpern ausgehenden Abtriebslcräfte um.

Als Resultat schließen die bewegbaren Schaltstücke die Strombahnen in den Schalteinheiten (4), (5), (6).

Zu Fig. 6

Die Polsäulen metallgekapselter Schalter mit SFg-Isolation sind wegen der hohen dielektrischen Güte dieses Isoliergases relativ kurz und gedrungen. Außerdem ist es meistens möglich die Polsäulen über die Schalteinheiten seitlich abzustützen.

Aus diesen Gründen sind metallgekapselte Schalter gegen in der Längsachse ihrer Schalteinheiten einwirkende Kräfte weit weniger empfindlich als dies bei in freier Atmosphäre aufgestellten Schaltern der Fall ist.

Das läßt sich ausnützen, um das Schaltgetriebe durch Verzicht auf seine völlige Symmetrierung und dynamische Ausgeglichenheit noch weiter zu vereinfachen.

Die beiden Getriebekörper (43)» (44) können dann zu einem kompakten auf der Achse (42) drehbar gelagerten scheibenförmigen Getriebekörper (59) zusammengefaßt werden.
Die zentrale Schaltstange (26) greift unter Einsparung der Getriebestange (46) über die verbleibende Getriebestange (45) einseitig an dem Getriebekörper an. Einseitig erfolgt auch der Kraftabtrieb zur Schaltstange (64) der isoliert an dem Gehäuse (3) angeordneten jedoch nicht mehr sichtbaren Schalteinheit (5) durch die Getriebestange (55). Die Getriebestange (56) der symmetrischen Getriebeausführung wurde eingespart.

Weiterhin symmetrisch verbleibt die Kraftübertragung zu den Schalteinheiten (4), (6), von denen nur die Kompressionszylinder (61), (62) zu sehen sind.

Die Wirkungsweise dieses rationalisierten Schaltgetriebes läßt sich aus den diesbezüglichen Erläuterungen zu Fig. 5 unschwer verstehen.

Zu Fig. 7

Die erfindungsgemäße Anordnung von Schalteinheiten an einem Schalterpol in Verbindung mit den rationalisierenden Ergänzungserfindungen bietet sich auch an zu einer wirtschaftlichen Konstruktion von Schaltern für die in Entwicklung befindlichen Anlagen zum Transport elektrischer Energie mit überaus hohen Übertragungsspannungen.

Dazu ist in Fig. 7 der Längsschnitt durch den Pol eines gekapselten Schalters mit SFg-Isolation dargestellt. Seine Nennspannung beträgt 1200 kV, sein Nenn- Kurzschlußausschaltstrom 50 kA.

Dieser Schalter besteht aus der Reihenschaltung von T5 zwei konventionell angeordneten Schalteinheiten mit

drei erfindungsgemäß angeordneten. Alle Schalteinheiten sind von demselben Typ wie die in Fig. 1 und 3 zum Aufbau der 765 kV Schalter verwendeten Schalteinheiten (4), (5), (6).
20

Dank der erfindungsgemäßen Anordnung der Schalteinheiten besteht der Schalterpol nur aus zwei Teilpolen·. Daraus ergeben sich erhebliche Vorteile wie z. B. starke Verringerung der Bauteile des gesamten Schalters und einfacher symmetrischer Aufbau seines Antriebs,

Durch potentiell ausführbare Stromableitungen analog zu den bereits in Fig. 3 angedeuteten Rohrstutzen (36), (37) besitzt auch der 12oo kV Schalter eine hohe Anpassungsfähigkeit an die Leitungsführungen in den Schaltstationen.

Zu Fig. 8

Bei der Planung von Systemen zur übertragung elektrischer Energie über sehr weite Entfernungen überlegt mar. Systemspannungen bis zu 2000 kV. Auch im Bereich dieser extrem hohen Übertragungsspannur.gen kann die Erfindung nützliche Beiträge leisten.

wird durch den Pol eines metallgekapselten Schalters in SFg-Isoliergas mit einer Nennspannung von 16¹-0 kV und einem Nenn-Kurzschlußausschaltstrom von 50 kA demonstriert.

Gekennzeichnet ist diese Schalterkonstruktion durch di·; Reihenschaltung von zwei erfindungsgemäßen Dreieran <rdnungen der Schalteinheiten. Je:e dieser weiterhin typgleichen Schalteinheiten hat eine Nennspannung von 250 kV gemäß den VDE-Bestimmungen.

Hingewiesen sei besonders darauf, daß im Fortschritt zum Stand der Technik der 1600 kV Schalter ebenso wie der 1200 kV Schalter nach Fig. 7 nur zwei Teilpole benötigt. Dementsprechend läßt sich der Schalterantrieb vorteilhaft Teilpol-symmetrisch anordnen und zentral st 'Uern.

Di- Verbindung der beiden Teilpole erfolgt durch das Do pel-Winkelrohr (39) - es stellt eine Weiterentwicklung des Winkelrohres in den Fig. 3 und 7 dar und is', zum besseren Verständnis auch in der Draufsicht erkennbar - und durch das glatte Verbindungsrohr (40).

In einer AusführungsVariante kann dieses Rohr U-förmig un-i auf die Stirnseiten der senkrecht stehenden Behälter (68), (69) gesetzt sein. Man spart so zwei Flanschverbindungen. Dafür benötigt man etwas mehr Bauhöhe,

J§§ BAD ORIGINAL Jf

was jedoch in einer Freiluft-Schaltstation nioht so schwerwiegend ist.

In beiden Ausführungsvarianten läßt sich im Verbindungsrohr vorteilhaft ein Stromwandler unterbringen.

Betrachtet man nun die Schalterpole der Pig. 3, 7 und im Zusammenhang der Typreihe, dann kann geprüft werden mit welchem Erfolg die Konstruktionsregeln fi r Schalter mit Mehrfachunterbrechung angewendet worcen sind; diesmal bei konstantem Nenn-Kurzschlußausschaltstrom und ansteigender Nennspannung.

Die zugehörigen Zahlenwerte sind in die nachfolgende Tabelle eingetragen. Zur Vervollständigung der Typreihe'wurde darin auch die Nennspannung 1000 kV aufgenommen.

5 0	765	1000	1200	1600	I kÄ
3 x 250	4 x 250	5 x 250	6 χ 250	U kV
- 2	0	+ 4	- 6	uu kv
Γη üu - 1J1OO Lw J

Man ersieht daraus, daß die größte Abweichung bei dem 1600 kV Schalter vorliegt, jedoch nicht mehr als 6$ beträgt.

Ein 1600 kV Schalterpol läßt sich noch in anderer ebenfalls vorteilhafter Form durch die Kombination von zwei Teilpolen analog zu Pig. 3 verwirklichen.

Dazu werden diese Teilpole mit ihren Anschlußflanschen an den horizontalen Behältern (29) zu einen Vollpol zusammengesetzt.

An.-eschlossen wird dieser Pol über seine vertikalen Stromschienen. Der Schalter liegt dann als Endverbindung im Zug der Sammelschienen.

Man kann ihn darin auch U-förmig einfügen. Die bereits in Fig. 3 angedeuteten Rohrstutzen (36), (37) eröffnen diese Alternative.

Sechs Schalteinheiten pro gekapselten Schalterpol sind jedoch keineswegs 1600 kV spezifisch. Sine solche Anordnung bietet sich weiter für niedrige -e Nennspannungen an, wenn es dort gilt - ebenso wie bei Freiluftschaltern, siehe Fig. 1 und 4 - sehr große Kurzschlußströme zu unterbrechen.

Zu Fig. 9

Im oberen Bereich dieser Fig. sieht man einen Längsschnitt durch das Kontakt- und Lichtbogenlöscnsystem der Schalteinheit eines Hochspannungsleistungsschalters nach dem Prinzip der Druckgasbeströmung ^;m Autokompressionsverfahren. Der Schalter befindet .;ich im ausgeschalteten Zustand.

Die Lichtbogenlöschdüsen mit den daran anschließenden auch als feststehende Schaltstücke dienenden Löschgasabströmrohren sind durch (2), (3) bezeichnet. Auf den Rohren gleitet die Kontaktbrücke (4). Sie ist mit der Schubstange (5) gelenkig verbunden. Angetrieben wird diese Schubstange von dem auf der Achse (6) drehbar gelagerten Hebel (7). Die Antriebskraft geht von dem nicht dargestellten Hauptantrieb des Schalters aus. Ebenfalls nicht dargestellt, weil zum Verstehen der Widerstandsschalteinrichtung nicht benötigt, 1st die Löachgaskompressionseinrichtung der Schalteinheit.

Unterhalb der Schalteinheit (1), und ihr räumlich und elektrisch parallelgeschaltet, befindet sich die Widerstandsschalteinrichtung (9). Der zu schaltende Widerstand besteht aus den Teilwiderständen (lOa) und (TOb). Zwischen den Teilwiderständen liegt die Schalt- und Isolierstrecke (11), begrenzt von den Elektroden- und Kontaktkörpern (12), (13). Auf die Elektroden folgen die Spannelemente (14), (.15). Damit verspannt das Isolierstoffrohr (16) die Widerstandselemente mit je einem Grundkörper. Von -iiesen ist der auf der Antriebsseite befindliche und als Gehäuse (17) ausgebildete dargestellt. Dieses Gehäuse nimmt den Kolben und Führungskörper (18) sowie die Feder (24) auf» Auf seiner Schaltstückseite ist mit

dem Kolben die Schaltetange (19) verbunden, und auf der Antriebsseite der eine Laufrolle (21) tragende Stößel (20). Die Schaltstange aus Isolierstoff trägt an ihrer dem Kolben abgewandten Seite das bewegbare Schaltstück (22).

Schalteinheit (1) und Widerstandsschalteinrichtung (9) können in eine nicht dargestellte mit SPg gefüllte Kapselung eingebaut sein.

Die Schaltkurve (22) ist so geformt, daß das bewegbare Schaltstück (22) den Widerstand einschaltet bevor noch die Schaltstücke der Schalteinheit Kontakt geben. Den ersten elektrischen Kontakt stellt ein Vorüber-Schlagslichtbogen (28) her. In vorteilhafter Weise wird dieser räumlich kurze, nur Millisekunden dauernde und daher energiearme Lichtbogen als transienter Stromleiter genutzt. Als Konsequenz braucht das bewegbare Widerstandsschaltstück keinen metallischen Kontakt zu geben, sondern kann auf Abstand zum feststehenden Gegenschaltstück bleiben (gestrichelt markiert)

Der Lichtbogen verschwindet, sobald die Schaltstticke der Schalteinheit schließen und ihn zusammen mit dem Widerstand überbrücken. Das bewegbare Widerstandsschaltstück ist inzwischen von der Feder (24) in die Ausgangsposition zurückgeführt worden. Die Ruhelage der Schaltkurve sieht man gestrichelt eingezeichnet. Bei der nächsten Ausschaltung drückt die Schaltkurve wieder auf die Laufrolle. Doch sie kann jetzt keine achaiale Kraft weiterleiten, weil die Schaltkurve den Stößel um die Achse (29) schwenkt.

Nachdem die Schaltkurve Über den einseitig nachgibtadta Stößel hinweggedreht hat, stellt ihn eine Feder wieder auf.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   M. !Hochspannungsschalter, den Schaltlichfbogen insbesondere durch. Beströmung mit Druckgas nach dem Autokompressionsverfahren oder im Vakuum unterbrechend, mit drei Schalteinheiten pro Schalterpol, gegebenenfalls mit Ein- und/oder Ausschaltwiderständen ausgerüstet,

   in freier Atmosphäre aufgestellt oder in Me call gekapselt mit Druckgasisolation in der Kapselung, dadurch gekennzeichnet,

   daß an einem gegen Erde oder eine Kapselung elektrisch isoliertem Gehäuse (3) drei Schalteinheiten schaltbar befestigt sind,

   daß die Antriebskraft den zu bewegenden Bauelementen der Schalteinheiten aus dem Bereich des Gehäuses (3) zugeführt wird,

   und daß die drei Schalteinheiten elektrisch in Reihe geschaltet sind.

   2, Hochspannungsschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß an einem Gehäuse (3) eine erste überwiegend senkrecht angeordnete Schalteinheit (5) direkt, eine zweite seitlich angeordnete Schalteinheit (6) über ein Zwischenstück (10) aus Isolierstoff und eine dritte seitlich angeordnete Schalteinheit (4) über ein Zwischenstück (9) aus elektrisch leitfähigem Werkstoff schaltbar befestigt sind.

   3» Hochspannungsschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß an einem Gehäuse (3) zwei seitlich angeordnete Schalteinheiten (4), (6) direkt und eine dritte überwiegend senkrecht angeordnete Schalteinheit (5) über ein isolierendes Zwischenstück schaltbar angeordnet sind.

   4. Hochspannungsschalter nach Patentanspruch 1, 2, 3» dadurch gekennzeichnet,

   daß die Längsachsen der an dem Gehäuse seitlich angeordneten Sehalteinheiten mit einer durch den Bereich des Gehäuses gelegten überwiegend horizontalen Geraden zur Basis des Schalterpols sich öffnende Winkel einschließen.

   5. Hochspannungsschalter nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

   daß zur Übertragung der Antriebskraft an die zu bewegenden Bauelemente in den Schalteinheiten eines Schalterpols der Schalterantrieb durch Getriebeelemente (45) auf einen in einem Gehäuse (3) drehbar gelagerten Körper (59) einwirkt,

   und daß von dem Körper (59) zwei oder mehr Kraftabtriebselemente ausgehen.

   6. Hochspannungsschalter nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

   daß der im Gehäuse (3) drehbar gelagerte Getriebekörper geteilt ist,

   daß die Teilkörper (43), (44) auf einer gemeinsamen Achse (42) drehbar gelagert sind, und daß auf die Teilkörper Kraftantriebselemente sowie Kraftabtriebselemente symmetrisch zur gemeinsamen Drehachse einwirken.

   7. Hochspannungsschalter nach Patentanspruch 1 bis 6, ladurch gekennzeichnet,

   daß parallel zu zwei von drei an einem Gehäuse (3) angeordneten Schalteinheiten je ein schaltbarer Widerstand vorgesehen ist.

   8„ Hochspannungsschalter nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

   daß der schaltbare Parallelwiderstand aus zwei Teilwiderständen besteht,

   daß die Widerstandsschaltstücke zwischen den Teilwiderständen angeordnet sind,

   und daß die Längsachsen der Teilwiderstände einen Winkel zueinander einschließen,

   9. Hochspannungsschalter nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

   daß zum Einschalten des Widerstandes ein bewegbares Schaltstück von einer Schaltkurve angetrieben wird,

   und daß für das Ausschalten des Widerstandes dem bewegbaren Schaltstück die Antriebskraft von einem während des Einschaltens aufladbaren Kraftspeicher zugeführt wird.

   10. Hochspannungsschalter nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

   daß die parallel zu zwei Schalteinheiten schaltbar angeordneten Widerstände während des Einschaltens durch einen Lichtbogen in einer dritten Schalteinheit miteinander elektrisch leitend verbunden sind.