DE3841592A1 - Antriebsvorrichtung fuer einen gleichstromschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für einen Gleichstromschalter mit Rückstromerzeugung zum Unterbrechen von Gleichstromleitungen, das heißt eine Antriebsvorrichtung mit einer schnell auslösenden Windung und einer relativ langsam auslösenden Windung, die voneinander unabhängig angeordnet sind und eine Anordnung mit mechanischer Frei­ auslösung ergeben.

In der JP-A-54-1 49 873 ist ein Gleichstromschalter mit Rück­ stromerzeugung zur Strombegrenzung der Art beschrieben, wie er in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist. Dieser Lei­ stungsschalter enthält eine Schalteinheit 2, die in Reihe in einer Gleichstrom-Hauptleitung 1 eingeschaltet ist, und eine Reihenschaltung aus einem Kommutierungskondensator 3, einer Drossel 4 und einem Schaltthyristor 5 zur Ausführung des Schaltvorganges, die parallel zu der Schalteinheit 2 ange­ ordnet ist. Beim Ausführen des Schaltvorganges, das heißt wenn die Hauptleitung 1 unterbrochen wird, wird ein Öff­ nungsbefehl an die Schalteinheit 2 gegeben. Nach dem Öffnen der Schalteinheit 2 wird der Schaltthyristor 5 eingeschal­ tet, so daß der Entladestrom vom Kommutierungskonden­ sator 3, der vorher mittels einer Aufladeeinheit 6 aufge­ laden wurde, in umgekehrter Richtung zum Erregerstrom der Schalteinheit 2 fließt, so daß sich in der Summe die Ströme und , die durch die Schalteinheit 2 fließen, aufheben. Im Ergebnis wird dadurch der Lichtbogen in der Schalteinheit 2 gelöscht und der Strom auf der Hauptleitung auf den Kommutierungskondensator 3 umgeschaltet, wodurch der Vorgang der Strombegrenzung abgeschlossen ist.

Es ist erforderlich, daß die Schalteinheit 2 mit hoher Ge­ schwindigkeit öffnet und daß der Kommutierungskondensator einen hochfrequenten Strom abgibt, um mit dem Strombegren­ zungsvorgang jeden Kurzschlußstrom zu unterbrechen. Es ist bekannt, daß ein Vakuumschalter mit genügender Durchschlag­ festigkeit und guter Hochfrequenz-Schaltleistung und einem kleinen Öffnungshub für die Schalteinheit 2 geeignet ist, und es ist auch bekannt, daß eine magnetische Abstoßungs­ spule als Vorrichtung zum Öffnen der Schalteinheit mit hoher Geschwindigkeit in kurzer Zeit verwendbar ist.

Ein solcher Vakuumschalter mit einer magnetischen Absto­ ßungsspule als schnelle Auslösevorrichtung ist in der JP-PS 56-19 942 beschrieben und in der Fig. 2 der Zeichnung ge­ zeigt. Dieser Schalter ist so aufgebaut, daß bei der Aus­ lösung die Erregung einer magnetischen Abstoßungsspule 7 eine magnetisch abstoßende Kraft zwischen ihr und einer Kurzschlußplatte 8 erzeugt, die daran angrenzend angeordnet ist, so daß ein mit der Kurzschlußplatte 8 verbundener Stab 9 in der durch einen Pfeil angezeigten Richtung (in der Fig. 2 nach unten) bewegt wird und eine damit verbundene beweg­ liche Elektrode 10 von einer feststehenden Elektrode 11 getrennt und solange in Öffnungsrichtung bewegt wird, bis die bewegliche Elektrode 10 ihren größten Hub ausgeführt und damit ihren größten Abstand von der Elektrode 11 erreicht hat. Dort wird die bewegliche Elektrode 10 durch ein Haken­ schloß 13 gegen die Wirkung einer Schließfeder 12 in der Offenstellung gehalten. Die Fig. 2 zeigt den geschlossenen Zustand des Schalters.

Diese bekannte Anordnung hat eine Reihe von Nachteilen. So ist es nicht möglich, eine mechanische Freiauslösung vorzu­ sehen, die Vorrang vor dem Schließvorgang hat, da der be­ kannte Schalter durch das Hakenschloß 13 mechanisch im offenen Zustand gehalten wird. Darüberhinaus ist durch das Einwirken des Hakenschlosses 13 ein größerer Öffnungshub erforderlich als zum Sichern einer ausreichenden Schaltlei­ stung und Isolation notwendig ist. Auch steigt die der ma­ gnetischen Abstoßungsspule 7 zuzuführende Energie mit einer Belastung des Balgens des Vakuumschalters an. Schließlich wird jeder Öffnungsvorgang durch die magnetische Abstoßungs­ spule 7 mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt, wodurch die mechanische Lebensdauer des Systems wegen der hohen Bean­ spruchungen dabei und der hohen Stoßkräfte herabgesetzt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antriebsvor­ richtung für einen Gleichstromschalter zu schaffen, der eine Schnellauslösung zum Auslösen bei einer Störung und eine langsame Auslösung zum Auslösen unter anderen Bedingungen aufweist, die getrennt und unabhängig voneinander wirken, wobei eine mechanische Freiauslösung und eine Verringerung des Öffnungshubes einer magnetischen Abstoßungsspule möglich sein soll.

Dabei soll die Antriebsvorrichtung so aufgebaut sein, daß eine schnelle Antriebseinheit nur zur Auslösung bei einer Störung, die eine schnelle Auslösung erfordert, betrieben wird, um die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der ge­ samten Anordnung zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Antriebs­ vorrichtung für einen Gleichstromschalter vorgesehen, die eine magnetische Abstoßungsspule zum verzögerungsfreien direkten Antreiben der beweglichen Elektrode eines Vakuum­ schalters in Öffnungsrichtung und eine erste Windung mit kapazitiver Erregung sowie eine zweite Windung mit Span­ nungsauslösung als Auslösespulen für einen Betätigungsme­ chanismus aufweist, der über eine Kontaktfeder mit der be­ weglichen Elektrode des Vakuumschalters verbunden ist, wobei die magnetische Abstoßungsspule und die erste Windung beim Auslösen durch eine Störung über Kondensatoren gleichzeitig erregt werden und wobei zum Auslösen unter anderen Bedin­ gungen nur die zweite Windung erregt wird.

Durch die Verbindung der beweglichen Elektrode mit dem sepa­ raten Betätigungsmechanismus über die Kontaktfeder ist eine mechanische Freiauslösung gegeben.

Da die Zeitdauer des Wirkens der durch die magnetische Ab­ stoßungsspule hervorgerufenen Antriebskraft sehr kurz ist (etwa 100 µs) und da die bewegliche Elektrode durch die Kontaktfeder nach Vervollständigung des Öffnungsvorganges in die Schließrichtung zurückgedrängt wird, muß die bewegliche Elektrode durch den separaten Betätigungsmechanismus vor dem nachfolgenden erneuten Schließen in die Öffnungsrichtung zurückgezogen werden. Beim Öffnen über die gewöhnliche, spannungsausgelöste Windung vergehen etwa 20 bis 30 ms vor Einleitung des Vorganges zum Zurückziehen, und das erneute Schließen kann nicht verhindert werden. Daher wird gleich­ zeitig mit der magnetischen Abstoßungsspule die kapazitiv erregte erste Windung über einen Kondensator erregt, wodurch die Startzeit für den Vorgang des Zurückziehens einige ms kurz wird, was es ermöglicht, den Öffnungshub der magneti­ schen Abstoßungsspule auf den zum Auslöschen eines Licht­ bogens minimal erforderlichen Hub zu verringern.

Wenn keine Störung vorliegt und damit keine schnelle Aus­ lösung gefordert ist, wird nur die spannungsausgelöste zweite Windung erregt, wobei die schnelle Antriebseinheit nicht betätigt wird.

Ausführungsbeispiele für den Gleichstromschalter werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild für einen bekannten Gleichstromschal­ ter;

Fig. 2 einen Teil des Betätigungsmechanismusses des bekann­ ten Schalters;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung mit dem Mechanismus des Schalt­ systems, wenn der Schalter geschlossen ist;

Fig. 4 schematisch den Mechanismus des Schließsystems, wenn der Schalter der Fig. 3 offen ist;

Fig. 5 eine Ansicht einer Betätigungsstange für den Schalter der Fig. 3 bzw. 4;

Fig. 6 eine Ansicht der Auslösevorrichtung für den Schalter der Fig. 3 bzw. 4; und

Fig. 7 ein Diagramm für die Hubcharakteristik der Antriebs­ vorrichtung der Fig. 3 bzw. 4.

Die Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform des An­ triebsmechanismusses für einen Gleichstrom-Leistungsschal­ ter, wobei der Mechanismus des Schaltsystems für den ge­ schlossenen Zustand des Gleichstromschalters dargestellt ist; und die Fig. 4 den Mechanismus des Schließsystems, wenn der Gleichstromschalter geöffnet ist. Die Fig. 5 ist eine Detailansicht einer in der Vorrichtung der Fig. 3 bzw. 4 enthaltenen Betätigungsstange.

Gemäß den Fig. 3 und 4 sind eine feststehende Elektrode 15 und eine bewegliche Elektrode 16, die eine Schalteinheit bilden, einander gegenüberliegend in einem Vakuumschalter 14 angeordnet. Stangen 17 und 18 erstrecken sich jeweils von der Rückseite einer dieser Elektroden zur Außenseite des Vakuumschalters 14. Die Stange 17 ist ortsfest. Die beweg­ liche Stange 18 ist über eine Kontaktfeder 19 mit einem Betätigungsmechanismus 20 verbunden.

Der Betätigungsmechanismus 20 ist wie folgt aufgebaut: Wie in der Fig. 5 gezeigt, ist am freien Ende der beweglichen Stange 18 ein Stift 21 angeordnet, der in zwei Längslöchern 23, die in einer Betätigungsstange 22 ausgebildet sind, eingesetzt ist, wodurch die bewegliche Stange 18 und die Betätigungsstange 22 miteinander verbunden sind. Die Kon­ taktfeder 19 ist in der Betätigungsstange 22 untergebracht. Der Stift 21 ist in Reaktion auf die Druckkraft der Kontakt­ feder 19 in den Längslöchern 23 beweglich. Das freie Ende der Betätigungsstange 22 ist über einen Stift 24 mit einem ersten Verbindungsstück 25 verbunden. Dieses erste Verbin­ dungsstück 25 ist um einen daran angebrachten ersten fest­ stehenden Stift 26 in der Art eines zweiarmigen gleichseiti­ gen Hebels schwenkbar. Diese Schwenkbewegung wird auf ein zweites Verbindungsstück 28 übertragen, das durch einen Stift 27 mit dem anderen Ende des ersten Verbindungsstückes 25 verbunden ist. Das andere Ende des zweiten Verbindungs­ stückes 28 ist durch einen Stift 29 mit einem dritten Ver­ bindungsstück 30 verbunden. An dem dritten Verbindungsstück 30 sind eine Hauptwelle 31 und eine Schaltfeder 32 angeord­ net. Das dritte Verbindungsstück 30 ist um die Hauptwelle 31 derart schwenkbar, daß von der Schaltfeder 32 Energie aufge­ nommen oder abgegeben wird. Die Hauptwelle 31 ist derart mit einer Vorrichtung zur Betätigung eines Elektromotores (nicht gezeigt) versehen, daß von einer nicht gezeigten Schließfe­ der Energie aufgenommen oder abgegeben werden kann. Am ande­ ren Ende des dritten Verbindungsstückes 30 befindet sich ein Stift 33, der an einem Endhebel 34 angreift. Der Endhebel 34 wird von einem zweiten feststehenden Stift 35 schwenkbar ge­ halten. Die Schwenkbewegung des Endhebels 34 wird durch eine Auslösevorrichtung 36 bewirkt, die auf ein Ende des Endhe­ bels 34 drückt.

Wie in der Fig. 6 gezeigt weist die Auslösevorrichtung 36 eine Druckstange 38 auf, die innerhalb eines Eisenkernes 37 mit ersten und zweiten Windungen 39 und 40, die um die Außenseite des Kernes 37 gewickelt sind, angeordnet ist. Wenn die Windungen 39 und 40 erregt werden, drückt die Druckstange 38 in der Richtung des Pfeiles A auf den End­ hebel 34, und der Endhebel 34 gibt den Stift 33 frei, wie es in der Fig. 4 gezeigt ist. Wenn die Windungen 39 und 40 ent­ regt werden, bewegt sich durch eine Feder 41 die Druckstange 38 in der Richtung des Pfeiles B (Fig. 6), so daß sich die Hauptwelle 31 und der Endhebel 34 in der Ansicht der Fig. 4 im Uhrzeigersinn drehen, womit wieder der in der Fig. 3 ge­ zeigte Anfangszustand eingenommen wird. Die erste Windung 39 ist Teil einer Störungsauslöseschaltung X, in der ein Kon­ densator 42 mit einem Thyristor 43 und ein Kondensator 44 mit einer magnetischen Abstoßungsspule 45 verbunden ist. Die magnetische Abstoßungsspule 45 ist bei der beweglichen Stan­ ge 18 angeordnet. Gegenüber der magnetischen Abstoßungsspule 45 ist an der beweglichen Stange 18 eine Kurzschlußplatte 46 ausgebildet. Die zweite Windung 40 ist Teil einer Auslöse­ schaltung Y für den Fall, daß keine Störung vorliegt. Die Auslöseschaltung Y enthält weiter einen Schalter 47 und eine Gleichstromquelle 48.

Ein in der Hauptleitung 1 fließender Überstrom wird von einem Stromwandler 49 und einem Detektor 50 festgestellt, der den Thyristor 43 einschaltet.

Im folgenden wird die Betriebsweise des in den Fig. 3 und 4 gezeigten Betätigungsmechanismusses 20 beschrieben.

Im Falle des Auslösens durch eine Störung wird, wenn ein durch den Vakuumschalter 14 fließender Überstrom vom Strom­ wandler 49 festgestellt wird, der Detektor 50 veranlaßt, einen Schaltbefehl an den Thyristor 43 zu geben. Der Thy­ ristor 43 wird damit eingeschaltet, wodurch die magnetische Abstoßungsspule 45 und die erste Windung 39 über die Konden­ satoren 44 bzw. 42 gleichzeitig erregt werden. Als Ergebnis davon wird verzögerungsfrei zwischen der magnetischen Ab­ stoßungsspule 45 und der Kurzschlußplatte 46 eine magnetisch abstoßende Kraft erzeugt, so daß die über die Stange 18 direkt mit der Kurzschlußplatte 46 verbundene bewegliche Elektrode 16 in Öffnungsrichtung (Pfeil C) bewegt wird, während die Kontaktfeder 19 Energie aufnimmt. Nach Erreichen des maximalen Abstandes wird die bewegliche Elektrode 16 durch die Druckkraft der Kontaktfeder 19 in Schließrichtung (Pfeil D) zurückgedrängt, wie es in der Fig. 4 gezeigt ist.

Wenn die erste Windung 39 erregt wird, wirkt nach Ablauf mehrerer ms die Druckstange 38 auf den Endhebel 34 ein, so daß der Endhebel 34 den Stift 33 freigibt und die in der Schaltfeder 32 gespeicherte Energie frei wird. Dadurch wird die bewegliche Elektrode 16 erneut in die durch den Pfeil C angezeigte Öffnungsrichtung gezogen und in der in der Fig. 4 gezeigten Offenstellung gehalten. Die erste Windung 39 er­ laubt somit eine wesentliche Erhöhung der Schaltgeschwin­ digkeit.

Beim Öffnen des Schalters wird im übrigen wie bei der Aus­ führung der Fig. 1 mittels der Schaltungskomponenten 3 bis 6 zur Strombegrenzung ein Rückstrom erzeugt.

Im Falle eines Auslösens ohne Störung wird, wenn ein Schalt­ befehl vorliegt, der Schalter 47 manuell geschlossen, so daß die zweite Windung 40 durch die Gleichstromquelle 48 erregt wird. Die Druckstange 38 wirkt daraufhin auf den Endhebel 34 ein, wodurch der Stift 33 vom Endhebel 34 freigegeben wird. Die bewegliche Elektrode 16 wird damit durch die Kraft der Schaltfeder 32 in Öffnungsrichtung bewegt und in der in der Fig. 4 gezeigten Offenstellung gehalten.

Anhand der Fig. 7 wird der Weg S der beweglichen Elektrode 16 in Abhängigkeit von der Zeit t beim Öffnen erläutert.

Im Falle des Auslösens durch eine Störung erfolgt das Öffnen verzögerungsfrei durch die sofort wirkende magnetische Ab­ stoßungskraft, woraufhin die bewegliche Elektrode 16 durch die Kontaktfeder 19 in die durch den Pfeil D angezeigte Schließrichtung zurückgedrängt wird. Vor dem erneuten Schließen des Schalters bewirkt jedoch die Erregung der ersten Windung 39 des Betätigungsmechanismusses 20 über den Kondensator 42, daß die Elektrode 16 wieder in die durch den Pfeil C gezeigte Öffnungsrichtung gezogen wird. Im Falle der Auslösung ohne Vorliegen einer Störung braucht der Schalter nicht mit hoher Geschwindigkeit geöffnet zu werden. Daher wird dafür die zweite Windung 40 des Betätigungsmechanis­ musses 20 durch eine Spannung von der Quelle 48 erregt und damit die Schalteinheit nur durch die Kraft der Schaltfeder 32 mit einer relativ geringen Geschwindigkeit geöffnet.

Wie vorstehend beschrieben umfaßt die Auslösevorrichtung 36 die erste und zweite Windung 39 und 40, um die Frequenz der Kondensatorentladung während des Auslösens ohne Vorliegen einer Störung herabzusetzen. Der gleiche Effekt kann auch dadurch erhalten werden, daß die zweite Windung 40 wegge­ lassen wird und nur die erste Windung 39 während des Aus­ lösens ohne Vorliegen einer Störung erregt wird.

Bei dem beschriebenen Aufbau werden die magnetische Ab­ stoßungsspule 45 und die erste Windung 39 jeweils durch einen eigenen Kondensator 44 bzw. 42 erregt. Es ist jedoch auch möglich, die Eigenschaften dieser Windungen so zu ändern, daß die Kondensatoren 42 und 44 parallel oder in Reihe geschaltet werden können.

Bei der geschilderten Ausführungsform wird die Schalteinheit durch wenigstens eine feststehende Elektrode 15 und eine bewegliche Elektrode 16 in einem Vakuumschalter 14 gebildet. Anstelle des Vakuumschalters 14 kann jedoch auch ein Gas­ schalter, ein Luftschalter oder ein Ölschalter verwendet werden.

Mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können so­ mit insbesondere durch die voneinander unabhängigen schnel­ len Auslösewindungen 39 und 45 und die relativ langsame Auslösewindung 40 folgende Vorteile erhalten werden:

• - Es kann zwischen einer schnellen und einer langsamen Aus­ lösung beliebig umgeschaltet werden.
• - Es ist eine mechanische Freiauslösung möglich.
• - Durch die für das schnelle Auslösen vorgesehene magne­ tische Abstoßungsspule 45 kann der Öffnungshub minimal gehalten werden.
• - Da nur während des durch eine Störung bewirkten Auslösens die Antriebsvorrichtung mit hoher Geschwindigkeit betätigt wird und eine Auslösung ohne Vorliegen einer Störung nicht so schnell erfolgt, ist es möglich, Abnutzungen und Schä­ den am Betätigungsmechanismus 20 und dem Vakuumschalter 14 zu verringern und damit die Zuverlässigkeit und mechani­ sche Lebensdauer der Vorrichtung zu erhöhen.

Claims (6)

1. Gleichstromschalter mit Rückstromerzeugung, zu der ein Kondensator (3) über eine Schaltvorrichtung (5) mit einer Schalteinheit (14) verbunden ist, wodurch zu den Schalt­ kontakten (15, 16) ein Kondensator-Entladestrom geliefert wird, der in der Polarität einem Hauptstrom entgegengesetzt ist, um den Strom zwangsweise auf Null zu bringen und damit eine strombegrenzende Ausschaltung zu bewirken, und mit einer Antriebsvorrichtung, gekennzeichnet durch

• - wenigstens eine feststehende und eine bewegliche Elektrode (15, 16), die einander gegenüberliegend in der Schaltein­ heit (14) angeordnet sind und miteinander in Kontakt kom­ men können;
• - jeweils mit einer der Rückseiten der Elektroden (15, 16) verbundene und sich zur Außenseite der Schalteinheit (14) erstreckende Stangen (17, 18);
• - eine magnetische Abstoßungsspule (45) an der mit der be­ weglichen Elektrode (16) verbundenen, beweglichen Stange (18), um diese bewegliche Stange in Öffnungsrichtung zu bewegen;
• - einen Betätigungsmechanismus (20), der über eine Kontakt­ feder (19), die mit der beweglichen Stange (18) in Kontakt ist, mit der beweglichen Stange (18) verbunden ist;
• - eine erste Auslösewindung (39), die mit dem Betätigungs­ mechanismus (20) in Eingriff steht und dafür vorgesehen ist, diesen Eingriff bei Erregung freizugeben und dadurch die Schalteinheit zu öffnen; und durch
• - eine Störungs-Auslöseschaltung (X) zum gleichzeitigen Er­ regen der Auslösewindung (39), der magnetischen Ab­ stoßungsspule (45) und von Kondensatoren (42, 44).

2. Gleichstromschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auslöseschaltung (Y) mit einem Schalter (47), der mit einer zweiten Auslösewindung (40) verbunden ist, um diese zum Öffnen der Schalteinheit (14) zu erregen, wenn keine Störung vorliegt.

3. Gleichstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Schalteinheit (14) ein Gas eingeschlossen ist.

4. Gleichstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Schalteinheit (14) Luft eingeschlossen ist.

5. Gleichstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Schalteinheit (14) Öl eingeschlossen ist.

6. Gleichstromschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Vakuumschalter (14) als Schalteinheit.