DE3710082A1 - Hydraulischer antrieb fuer ein hochspannungsschaltgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Antrieb nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Hochspannungsleistungsschalter werden u.a. mit hydrauli­ schen Antrieben betätigt, die eine Kolben-Zylinderanord­ nung aufweisen, von denen der Kolben mit dem beweglichen Schaltstück des Leistungsschaltgerätes verbunden bzw. gekoppelt ist. Der hydraulische Antrieb befindet sich dabei meistens außerhalb der Metallkapselung bzw. außer­ halb des Schalterpols, und er ist normalerweise auf Erd­ potential angeordnet; die Verbindung zwischen der Kol­ benstange und dem beweglichen Schaltkontaktstück des Leistungsschalters erfolgt mittels isolierender An­ triebsstangen und ggf. weiteren mechanischen Übertra­ gungselementen. Alle diese Übertragungselemente müssen derart gestaltet sein, daß ein spielfreies Beschleunigen und Abbremsen des Schaltstiftes möglich ist. Hierdurch ist der konstruktive Aufwand für einen solchen Lei­ stungsschalter relativ hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen hydraulischen An­ trieb der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der konstruktive mechanische Aufwand verkleinert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Erfindungsgemäß also befindet sich die Kolben-Zylinder­ anordnung auf Hochspannungspotential, ebenso wie der Energiespeicher, und lediglich die Steuerimpulse für den Antrieb und die Verarbeitung der vom Antrieb her kommen­ den Signale, die beispielsweise die Schaltstellung an­ zeigen, werden auf Erdpotential verarbeitet. Dadurch wird zum einen der apparative Aufwand des Antriebes ver­ ringert, weil verhältnismäßig lange Übertragungsstangen aus isolierendem Material wegfallen können, und zum an­ deren wird die Baugröße des Schaltgerätes erheblich ver­ kleinert. Es ist nicht mehr erforderlich, an einen ge­ sondert vorzusehenden Anschlußflansch das gesamte An­ triebsgehäuse anzuschließen.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestal­ tung geht aus folgenden Überlegungen hervor:

Bei jeder Schalthandlung ist eine Energie aufzubringen die zur Beschleunigung aller bewegten Massen sowie zur Lichtbogenlöschung ausreicht. Demgemäß ist die Gesamt­ energie

E _SH = 1/2 (M₁ · V₁² + M₂ · V₂² + M₃ · V₃²) + E _L

Hierin sind:

E _SH = Energie der SchalthandlungM₁= bewegte Masse des Antriebes M₂= bewegte Masse des Übertragungsgestänges M₃= bewegte Masse des Schalters (Schaltkontaktstück, Blaskolben etc.) E _L = Energie der Lichtbogenlösung V _i = Geschwindigkeit der Messe M _i ( _i = 1, 2, 3)

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der hydrau­ lische Antrieb auf Hochspannungspotential und der Ab­ stand vom Kolben zu dem Schaltkontaktstück ist dadurch erheblich reduziert. Dadurch kann das Übertragungsge­ stänge wegfallen und M ₂ zu 0 werden. Die geringe vom Antrieb zu liefernde Energie erlaubt eine kleinere Bau­ weise, so daß M ¹ reduziert wird.

Der hydraulische Antrieb kann dadurch weiter verkleinert und damit verbessert werden. Nach den Merkmalen des An­ spruches 2 ist die elektronische Steuereinheit, die der Ansteuerung von hydraulischen Stellgliedern (Ventilen) und des Antriebskolbens dient, ebenfalls auf Hochspan­ nungspotential angeordnet ist, so daß lange Steuerwege vorteilhaft entfallen.

Die der Steuereinheit zugeführten Signale bzw. die von der Steuereinheit herkommenden Signale sind gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 3 bzw. des An­ spruches 4 Lichtsignale, die der Steuereinheit über Glasfaserkabel oder durch direkten Lichtstrahl zugeführt bzw. von dieser abgeführt werden, wobei die Betriebs­ energie als Lichtenergie übertragen wird und mittels einer Fotozellenanordnung in elektrische Energie umge­ wandelt wird und entweder direkt zum Betrieb der Steuer­ einheit oder zur Aufladung eines elektrischen Speichers (Akkumulators) dient, dessen Energieinhalt dann wiederum zur elektrischen Versorgung der Steuereinheit benutzt wird.

Zur Ansteuerung der Steuereinheit kann eine zentrale Steuereinrichtung vorgesehen werden, die gemäß dem kenn­ zeichnenden Merkmal des Anspruches 1 auf Erdpotential liegt und mit der Steuereinheit über Lichtsignale gekop­ pelt ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 6 zu entnehmen. Dadurch, daß der Antrieb dem Leistungsschalterkontakt direkt räumlich zugeordnet ist, ist er aufgeteilt in je einen Antrieb für jede Phase. Dadurch kann die Betäti­ gung der "Teilantriebe" für jede Phase auf die Phasenla­ ge des Stromes im zugehörigen Leiter angepaßt werden. Die bei einem entsprechend der Phasenlage synchronen Schalten benötigte Energie ist bedeutend geringer als die, die bereitzustellen ist, wenn der Schalter unabhän­ gig von der Phasenlage schalten muß. Damit kann der Kom­ pressions- bzw. Gaskolben kleiner gestaltet werden und demgemäß wird auch die zu beschleunigende Masse M ₃ des Schalters in oben genannter Formel reduziert.

Im Endeffekt wird der Schalterantrieb deshalb kleiner, weil er dem Schaltkontaktstift räumlich zugeordnet ist und mit diesem auf gleichem Potential liegt und umge­ kehrt kann er dorthin gelegt werden, weil er kleiner geworden ist.

Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesse­ rungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen erfindungsge­ mäßen Schalterantrieb, in einphasiger Ausfüh­ rung,

Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine weitere Ausge­ staltung des Schalterantriebes,

Fig. 3 eine Schnittansicht durch einen Freiluftschal­ ter und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Frei­ luftschalters.

Alle vier Zeichnungen sind sehr schematisch dargestellt; einzelne Details und Konstruktionseigenheiten des Schal­ ters sind nicht dargestellt. Es ist außerdem noch fest­ zuhalten, daß die Anordnung in den Fig. 1 bis 4 ein­ phasig dargestellt ist. Es besteht aber problemlos die Möglichkeit, die Erfindung auch bei dreiphasig gekapsel­ ten Schaltgeräten zu benutzen. In jedem Falle würden die in der Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnungen jeweils zu dritt in einer Kapselung untergebracht sein.

Es sei jetzt Bezug genommen auf die Fig. 1.

In einer Metallkapselung 10 befindet sich ein auf Hoch­ spannungspotential befindlicher Hohlleiter 11, der inner­ halb der Metallkapselung 10 mittels eines scheibenförmi­ gen Stützisolators 12 gehalten ist. Dieser Stützisolator 12 kann natürlich auch ein Schottungsisolator sein.

Der Hohlleiter 11 besitzt an einem Ende einen Bereich 13 erweiterten Durchmessers, in dem eine Antriebseinheit 14 untergebracht ist. Mit dieser Antriebseinheit 14 wird ein bewegliches Schaltkontaktstück 15 angetrieben, das mit einem festen Schaltkontaktstück 16 zusammenwirkt und damit einen Hochspannungs-Leistungsschalter bildet. Die Antriebseinheit 14 besitzt eine Kolben-Zylinderanordnung 17, deren Kolben 18 mit dem beweglichen Schaltkontakt­ stück 15 gekoppelt ist. Im Inneren der Antriebseinheit 14 befinden sich weiterhin Speicherräume 19 für Druck­ fluid, mit denen die Kolben-Zylinderanordnung 17 betä­ tigt bzw. angetrieben wird, um das bewegliche Schaltkon­ taktstück in die Einschalt- bzw. Ausschaltstellung zu verbringen. Zu diesem Zweck sind in der Anordnung nach Fig. 1, 2 Speicherräume für die Einschaltung bzw. Aus­ schaltung vorgesehen. Die Ansteuerung sowohl der Kol­ ben-Zylinderanordnung als auch der Speicherräume 19 er­ folgt mittels elektrisch betätigten Ventilen 20.

Im Inneren des Hohlleiters 11 und angenähert im Bereich 13 mit erweitertem Durchmesser findet sich eine Steuer­ einheit 21, deren Ausgangssignale über eine Leitung 22 der Antriebseinheit 14 zugeführt werden, um die Ventile 20 anzusteuern. Im Innern des Hohlleiters 11 befindet sich ferner ein elektrischer Speicher 23, der als Batte­ rie ausgebildet ist und über eine Leitung 24 die Steuer­ einheit 21 mit elektrischer Energie versorgt.

Die Antriebseinheit 14 ist ein einheitlicher Block, in dem alle zur Betätigung des beweglichen Kontaktstückes 15 erforderlichen Bauelemente zusammengefaßt sind.

Die Aufladung des elektrischen Speichers 23 wird bewirkt von einer Speiseeinheit 25, die eine optische Sendeein­ heit 26 über eine Leitung 27 versorgt, in welcher opti­ schen Sendeeinheit 26 Licht erzeugt wird, welches über den Strahlengang 28 einer Fotozelle 29 zugeführt, in der die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt und über eine Leitung 30 dem elektrischen Speicher 23 zuge­ führt wird.

Auf Erdpotential befindet sich ein zentrales Steuermodul 31, von dem über eine Glasfaserleitung 32 Steuersignale der Steuereinheit 21 zugeführt werden und das über die Leitungen 36, 37 ebenfalls mit der Kompressoreinheit 33 und der Speiseeinheit 25 verbunden ist. Auf Erdpotential befindet sich also ferner eine Kompressoreinheit 33, die über eine druckfeste Hydraulikleitung 34 unter Druck stehendes Fluid der Antriebseinheit 14 und dort den Speicherräumen 19 zugeführt wird. Parallel dazu verläuft eine Rücklaufleitung 35, mit der verbrauchtes Fluid aus den Speicherräumen 19 bzw. der Kolben-Zylinderanordnung 17 zur Kompressoreinheit wieder zurückgeführt wird.

Wie aus der Fig. 1 also ersichtlich ist, sind alle we­ sentlichen Teile des Schalters bzw. auch des Antriebes auf Hochspannungspotential angeordnet, wodurch doch eine erhebliche Vereinfachung der Konstruktion und eine erhe­ bliche Reduzierung der Abmessungen erzielt wird. Die erforderliche Energie zur Betätigung des Schalters bzw. des beweglichen Schaltkontaktstiftes wird auf einen Min­ destwert reduziert.

Die Versorgungsleitung 34 als auch die Rückflußleitung 35 und die Steuerleitung 32 sind durch den Stützisolator 12 hindurch von Erdpotential auf Hochspannungspotential geführt.

Die Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung des Schalters nach Fig. 1. Um den Hohlleiter 11 herum ist ein Stromsensor 38 angeordnet, der über eine Verbin­ dungsleitung 39 mit der Steuereinheit 21 in Verbindung steht. Durch diese Anordnung der Anbringung des Strom­ sensors 38 am Leiter 11 läßt sich erreichen, daß die durch die Steuereinheit 21 ausgelöste Betätigung des Antriebskolbens 18 zeitlich synchronisiert mit dem Stromverlauf erfolgen kann, so daß das Schaltgerät nach der Fig. 2 ein Synchronschalter ist. Als Stromsensor 38 kann beispielsweise eine Rogowski-Spule benutzt werden, wie sie in der Parallel-Anmeldung (E-Nr. 4 697) beschrie­ ben ist.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung bzw. Anbringung des Antriebes an den Hochspannungsleiter ist in den Fig. 1 und 2 anhand eines SF6-gasisolierten, metallgekapsel­ ten Schalters beschrieben worden. Die erfinderische Idee kann auch, wie aus Fig. 3 und Fig. 4 ersichtlich, bei einem Freiluftschaltgerät eingesetzt werden. Dieses Freiluftschaltgerät besitzt ein Basisteil 40, auf dem ein Stützisolator 41 befestigt und aufgebaut ist, der die Schalteinheit 42 trägt bzw. gegenüber Erdpotential isoliert. Die Schalteinheit besteht aus einem ersten Ge­ häuse 43, an das sich ein Isolierzwischenstück 44 an­ schließt, welches rohrförmig ausgebildet ist und quer zu der Längsachse des Stützisolators verläuft, wobei an der freien Stirnfläche des Isolierzwischenstücks ein Ab­ schlußdeckel aus elektrisch leitfähigem Material 45 be­ festigt ist. Im Inneren des Schalterteiles 42 und zwar im Bereich des Isolierzwischenstückes 44 sind ein in den Abschlußdeckel 45 integriertes Festkontaktstück 46 und ein bewegliches Kontaktstück 47 vorgesehen, welch letz­ teres mit einer hydraulischen Antriebseinheit 48 verbun­ den ist, die eine Kolben-Zylinderanordnung 49 aufweist, an deren Kolben 50 das bewegliche Schaltstück 47 ange­ koppelt ist.

Im Inneren des Gehäuses 43 befindet sich eine der Steu­ ereinheit 21 entsprechende Steuereinheit 51, die von einer Batterieeinheit 52 gespeist bzw. versorgt wird, welche letztere der Batterieeinheit 23 entspricht. Auf Erdpotential befindet sich eine Kompressoreinheit 53, die über eine Versorgungsleitung 54 und einer Rückflußlei­ tung 55 mit der Antriebseinheit 48 verbunden ist. Ein zentrales Steuermodul 56 steuert die Steuereinheit 51 an und mittels einer Energieversorgungseinrichtung 57 wird über eine Glasfaserleitung 58 die Batterie 52 mit Ener­ gie versorgt; die Einheit 57 gibt Licht ab, welches von einer Fotozelle in der Batterieeinheit 52 in elektri­ schen Strom umgewandelt wird. Auch die Leitung 59, über die die zentrale Steuereinrichtung 56 die Steuereinheit 51 ansteuert, ist als Glasfaserleitung ausgebildet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Fig. 4 sind die Fluidleitungen 54, 55 sowie die zur Übertragung der Steuerenergie und der Steuerinformation vorgesehenen Glasfaserleitungen 58, 59 innerhalb eines parallel zu dem Stützisolator 41 verlaufenden Versorgungsstranges 60 geführt. Dadurch läßt sich der Montageaufwand insbeson­ dere dann vorteilhaft reduzieren, wenn bei höheren Span­ nungsebenen der Stützisolator 41 unterteilt ist und wenn ggf. der Stützisolator erst auf der Baustelle an die Schalteinheit 42 montiert wird.

Claims (11)

1. Hydraulischer Antrieb zur Betätigung des beweg­ lichen Kontaktstückes (15, 47) eines Hochspannungs­ schaltgerätes, mit einer Kolben-Zylinderanordnung (17, 49), deren Kolben (18, 50) mit dem beweglichen Schalt­ stück (15, 47) gekoppelt ist, mit einer Fluid-Speicher­ anordnung (19), aus der unter Druck stehendes Fluid dem Kolben (18, 50) zu dessen Antrieb zuführbar ist, und mit einer Kompressoreinheit (33, 53) zur Aufladung der Fluid-Speicheranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebskolben-Zylinderanordnung (17, 49) und die Fluid-Speicheranordnung (19) räumlich nahe bei dem be­ weglichen Kontaktstück (15, 47) auf demselben elektri­ schen Potential wie dieses befindlich angeordnet sind. daß die Kompressoreinheit (33, 53) auf Erdpotential liegt und daß die Leitungen, die die Kompressoreinheit (33, 53) mit der Kolben-Zylinderanordnung (17, 49) bzw. der Fluid-Speicheranordnung (19) verbinden, als elek­ trisch isolierende, druckfeste Leitungen ausgebildet sind.

2. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1, mit einer Steuereinheit (21, 51) zur Ansteuerung von hydraulischen Stellgliedern (20) der Fluid-Speichereinheit und des Antriebskolbens, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ tronische Steuereinheit (21, 51), die zusätzlich der Verarbeitung und Weiterleitung von Steuersignalen dient, ebenfalls räumlich nahe bei dem beweglichen Kontaktstück (15, 47) und auf demselben Hochspannungspotential ange­ ordnet ist.

3. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Versorgung der Steuereinheit (21, 51) und insbesondere auch zur Ansteuerung der hy­ draulischen Ventile (20) ein elektrischer Speicher (23, 52) (Batterie) vorgesehen ist, der in räumlicher Nähe zur elektronischen Steuereinheit (21, 51) ebenfalls auf Hochspannungspotential befindlich angeordnet ist.

4. Hydraulischer Antrieb nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Versor­ gung der elektronischen Steuereinheit (21, 51), insbe­ sondere auch die zur Ansteuerung der hydraulischen Ven­ tile (20) und ggf. die zur Aufladung des elektrischen Speichers (23, 52) benötigte Energie als Lichtenergie entweder direkt (Strahlengang 28) oder mittels eines elektrisch isolierenden Glasfaserkabels (58) von einer auf Erdpotential befindlichen Steuerenergie-Speiseeinheit (25, 57) auf Hochspannungspotential übertragen wird, und daß auf Hochspannungspotential Mittel (29) zur Umwandlung der Lichtenergie in elektrische Energie vorgesehen sind.

5. Hydraulischer Antrieb nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf Erdpo­ tenial befindliche zentrale Steuereinrichtung (31, 56) vorgesehen ist, und daß sowohl die von der zentralen Steuereinrichtung (31, 56) erzeugten Signale für die auf Hochspannungspotential befindliche elektronische Steuer­ einheit (21, 51) als auch die von der elektronischen Steuereinheit erzeugten, der auf Erdpotential befindli­ chen zentralen Steuereinrichtung (31, 56) zugeführten Signale Lichtsignale sind, die mittels elektrisch iso­ lierender Glasfaserkabel oder direkt über die elektrisch isolierende Gasstrecke übertragbar sind.

6. Hydraulischer Antrieb nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromsensor (38) vorgesehen ist, daß die Steuereinheit mit dem Stromsensor (38) elektrisch leitend verbunden ist und daß die von der Steuereinheit ausgelöste Betätigung des beweglichen Schaltstückes (15) zeitlich synchronisiert mit dem Stromverlauf erfolgt.

7. Hydraulischer Antrieb nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylin­ deranordnung (17), die Fluid-Speicheranordnung (19), die elektronische Steuereinheit (21) sowie ggf. der elektri­ sche Speicher (23) im Inneren des auf Hochspannungspo­ tential befindlichen Leiters (11) untergebracht sind.

8. Hydraulischer Antrieb nach einem der vorigen Ansprüche, mit einem Stützisolator (12) zwischen dem Hochspannungsleiter (11) und der Metallkapselung (10), dadurch gekennzeichnet, daß die als Glasfaser ausgebil­ deten Signalleitungen im Inneren des Stützisolators (12) durch diesen hindurch von Hochspannungspotential zum Erdpotential geführt sind.

9. Hydraulischer Antrieb nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Druckleitung von der Kompressoreinheit zu der Kolben-Zy­ linderanordnung bzw. zu den Speicherräumen (19) und die Rückführungsleitungen als druckfeste Leitungen ausgebil­ det durch den Stützisolator (12) hindurch geführt sind.

10. Hydraulischer Antrieb nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Speicherräume (19) der Anzahl der erforderlichen Schalt­ handlungen entspricht.

11. Hydraulischer Antrieb für ein Freiluftschaltge­ rät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß parallel zu dem Stützisolator (41) ein isolierender Versorgungsstrang (60) geführt ist, inner­ halb dessen die Fluidleitungen (54, 55) und die Leitun­ gen für die Steuerinformation und die Steuerenergie (59, 58) verlegt sind.