DE3910010A1 - Vakuum-trennschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuum-Trennschal­ ter mit verbesserter Anordnung einer elektromagnetischen Re­ pulsionswicklung.

Gewöhnlich umfaßt ein Gleichstrom-Trennschalter einen Kon­ densator und eine Spule, d.h. einen zu einem Trennschalter, etwa einem Vakuum-Trennschalter, parallelgeschalteten LC- Schwingkreis. Beim Öffnen des Vakuum-Trennschalters wird gleichzeitig ein Gleichstrom durch den LC-Schwingkreis ge­ schickt, so daß er in einen oszillierenden Strom umgewandelt wird, der durch den Trennschalter fließt. Der oszillierende Strom wird beim Nulldurchgang durch eine Elektrode des Trenn­ schalters unterbrochen. Sofern nicht bei hohem Gleichstrom durch den LC-Schwingkreis die Trennzeit des Vakuum-Trennschal­ ters kurz ist, steigt der hohe Gleichstrom zeitlich an, was zu dem Nachteil führt, daß eine Stromunterbrechung verhindert wird.

Herkömmliche mechanische Mechanismen, etwa Hebelverbin­ dungen, sind bezüglich einer Verkürzung der Kontakt-Trennzeit von Vakuum-Trennschaltern begrenzt. Um in dieser Hinsicht Ver­ besserungen zu erreichen, sind in JP-A-59-2 14 022 und JP-U-50- 34 064 ein Vakuum-Trennschalter bzw. ein Trennschalter vorge­ schlagen worden, bei denen ein Strom durch eine elektromagne­ tische Repulsionswicklung fließt und die Unterbrechung durch elektromagnetische Kräfte erfolgt, die durch einen in einer Kurzschlußplatte induzierten Strom in einander abstoßenden Richtungen erzeugt werden.

Bei diesen Trennschaltern wird jedoch die Kontakt-Trenn­ geschwindigkeit zu hoch. Beim Unterbrechen eines hohen Stroms wandert daher ein an einer bewegbaren Elektrode gezündeter Lichtbogen zu einem Balg, bevor er sich zwischen der bewegba­ ren und einer festen Elektrode ausreichend verlängert hat. Da­ her schmilzt der Balg, und der Unterbrechungsvorgang läßt sich infolgedessen nicht verbessern.

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nach­ teile, wie sie bei vergleichbaren Trennschaltern nach dem Stand der Technik auftreten, mindestens teilweise zu beheben. Eine speziellere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Vakuum-Trennschalter anzugeben, bei dem die Zündung eines Lichtbogens an einer anderen Stelle als der Elektrode verhin­ dert wird, um den Unterbrechungsvorgang zu verbessern.

Zur erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe ist minde­ stens ein aus einer festen und einer bewegbaren Elektrode be­ stehendes Elektrodenpaar in einem Vakuumgefäß des Vakuum- Trennschalters angeordnet, wobei von den hinteren Flächen die­ ser Elektroden Stäbe zur Außenseite des Vakuumgefäßes verlau­ fen, und außerhalb des Vakuumgefäßes in der Umgebung der fe­ sten und der bewegbaren Elektrode sind eine mit einem bewegba­ ren Stab und einer elektromagnetischen Repulsionswicklung ge­ koppelte Kurzschlußplatte angeordnet.

Fließt durch die Repulsionswicklung ein Gleichstrom, so wird ein Magnetfluß erzeugt, der bei Durchsetzen der Kurz­ schlußplatte in dieser einen Wirbelstrom erzeugt. Der von dem Wirbelstrom erzeugte Magnetfluß und der Magnetfluß der Repul­ sionswicklung sind einander entgegengerichtet. Die dadurch hervorgerufene elektromagnetische Abstoßungskraft bewirkt, daß sich die Kurzschlußplatte und der bewegbare Stab mit hoher Ge­ schwindigkeit in derartiger Richtung bewegen, daß sie sich von der festen Elektrode entfernen. Während dieser Zeit bleibt der Lichtbogen zwischen der festen und der bewegbaren Elektrode gezündet, und der Magnetfluß aus der Repulsionswicklung hält weiterhin ein zu dem Lichtbogen paralleles Magnetfeld auf­ recht. Dadurch wird der Lichtbogen davon abgehalten, sich von den Elektroden zu entfernen, was zu einer Verbesserung des Unterbrechungsvorgangs führt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Vakuum-Trennschal­ ter,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer elektro­ magnetischen Repulsionswicklung und eines Kurzschlußrings, wie sie in dem Trennschalter nach Fig. 1 verwendet werden, und

Fig. 3 ein Kennliniendiagramm der verschiedenen, in dem Trennschalter nach Fig. 1 auftretenden Magnetflüsse.

Der in Fig. 1 dargestellte Vakuum-Trennschalter weist einen auf einem Wagen 1 angeordneten Rahmen 2 mit einem Vaku­ umgefäß 3 auf, das durch hermetischen Verschluß der beiden En­ den eines isolierenden Zylinders 4 mit Stirnplatten 5 herge­ stellt ist. In dem Vakuumgefäß 3 stehen eine feste Elektrode 6 und eine bewegbare Elektrode 7 einander gegenüber. An der Rückseite der festen Elektrode ist ein fester Stab 8, an der der bewegbaren Elektrode 7 ein bewegbarer Stab 9 angebracht, wobei die beiden Stäbe 8 und 9 aus dem Vakuumgefäß herausra­ gen. Der feste Stab 8 ist an seinem äußeren Ende mit einem Hauptstromkreisleiter 10, der bewegbare Stab 9 an einer Zwi­ schenstelle mit einem Hauptstromkreisleiter 11 elektrisch ge­ koppelt. Die Leiter 10 und 11 werden jeweils am einen Ende mit einem innerhalb einer (nicht gezeigten) verschlossenen Schalt­ tafel angeordneten Unterbrechungsteil elektrisch verbunden bzw. von diesem getrennt. Das andere Ende jedes Hauptstrom­ kreisleiters 10 und 11 ist abgewinkelt. Jeder der beiden abge­ winkelten Teile ist über einen Porzellanisolator 12 am Rahmen 2 abgestützt.

In dem Rahmen 2 ist ein herkömmlicher (nicht gezeigter) Schließmechanismus zum Schließen der bewegbaren Elektrode 7 gegenüber der festen Elektrode 6 angeordnet. Ein Schließhebel dieses Schließmechanismus ist dabei über einen isolierenden Kopplungsabschnitt 13 mit dem bewegbaren Stab 9 gekoppelt. Zwischen dem bewegbaren Stab 9 und der Stirnplatte 5 ist ein Balg 14 angebracht, der eine Bewegung des Stabes 9 in Richtung der Pfeile x 1 und x 2 gestattet. Die Pfeile x 1 und x 2 geben die Richtungen an, in denen die Elektroden 6 und 7 miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt werden. Außerhalb des Va­ kuumgefäßes 3 sind ferner entsprechend den Elektroden 6 und 7 ein Kurzschlußring 16 und eine elektromagnetische Repulsions­ wicklung 17 angeordnet, die auch in Fig. 2 dargestellt sind.

Der Kurzschlußring 16 wird dadurch hergestellt, daß aus einer Kupferplatte eine Ringform herausgeschnitten wird. An der Rückseite des Kurzschlußrings 16 sind mehrere isolierende Kopplungsglieder 18 befestigt, die jeweils mit einem Ende an dem bewegbaren Stab 9 angebracht sind. Die dem Kurzschlußring 16 entsprechende Repulsionswicklung 17 besteht aus einer ring­ förmigen leitfähigen Wicklung und wird über ein Stützelement 19 von dem Rahmen 2 getragen. Zwischen der Repulsionswicklung 17 und dem Stützelement 19 ist ein Isolierteil 20 angeordnet. Außerdem ist die Repulsionswicklung 17 mit einer Stromversor­ gung 21 verbunden.

In der Stromversorgung 21 ist eine Wechselstromquelle 210 mit der Primärwicklung 220 eines Transformators 22 verbunden, dessen Sekundärwicklung 221 mehrere über einen Umschalter 23 in den Stromkreis einschaltbare Abgriffe 222 aufweist. Zwi­ schen einem Ende der Sekundärwicklung 221 des Transformators 22 und einem Ende der Repulsionswicklung 17 liegen eine Diode 24 und ein Schalter 25. Zwischen dem Verbindungspunkt der Dio­ de 24 mit dem Schalter 25 einerseits und dem Verbindungspunkt des Umschalters 23 mit dem anderen Ende der Repulsionswicklung 17 andererseits liegt ein zu der Repulsionswicklung 17 paral­ lelgeschalteter Kondensator 26. Der Schalter 25 wird von einem in den Hauptstromkreisleiter 10 eingeschalteten Stromtransfor­ mator gesteuert. Bei Auftreten eines Kurzschlußstroms wird der Schalter 25 durch den gemessenen Strom geschlossen. Wird kein Kurzschlußstrom gemessen, so ist der Schalter 25 offen.

Der aus der Wechselstromquelle 210 fließende Wechselstrom wird durch die Diode 24 gleichgerichtet. Mit diesem Gleich­ strom wird der Kondensator 26 geladen. Wird nun ein in dem Hauptstromkreisleiter 10 fließender Kurzschlußstrom durch den oben erwähnten (nicht gezeigten) Stromtransformator erfaßt, so wird der Schalter 25 geschlossen, und der Kondensator 26 ent­ lädt sich über die Repulsionswicklung 17, die einen in Fig. 2 und 3 gezeigten Magnetfluß Φ _C erzeugt. Der Magnetfluß Φ _C durchsetzt den Kurzschlußring 16 und induziert in diesem einen Wirbelstrom I, der seinerseits einen zu dem Magnetfluß Φ _C entgegengerichteten Magnetfluß Φ _S erzeugt. Die Magnetflüsse Φ _C und Φ _S wirken gegeneinander. Durch die auf diese Weise erzeugte elektromagnetische Abstoßungskraft wird der Kurz­ schlußring 16 in Richtung des Pfeils x 2 bewegt. Dadurch werden die Elektroden 6 und 7 getrennt und ein Lichtbogen erzeugt. Die Magnetflüsse Φ _C und Φ _S bilden zu dem Lichtbogen paral­ lele Magnetfelder. Da sich der Magnetfluß Φ _S in einer sich von dem Lichtbogen trennenden Richtung bewegt, wirkt haupt­ sächlich der Magnetfluß Φ _C als das zu dem Lichtbogen paral­ lele Magnetfeld. Auf diese Weise bleibt, obwohl sich die be­ wegbare Elektrode 7 durch die Verwendung der elektromagneti­ schen Repulsionswicklung 17 mit hoher Geschwindigkeit von der festen Elektrode 6 entfernt, der Lichtbogen von dem parallelen Magnetfeld umgeben. Daher bewegt er sich nicht von den Elek­ troden weg, so daß der Unterbrechungsvorgang verbessert wird.

Der Unterbrechungsvorgang kann insbesondere durch Anord­ nen des Kurzschlußrings und der elektromagnetischen Repul­ sionswicklung an den Elektroden entsprechenden Stellen außer­ halb des Vakuumgefäßes zur Verstärkung des parallelen Magnet­ feldes verbessert werden. Da das parallele Magnetfeld auf den Lichtbogen einwirkt, läßt sich die Wirkung der Unterbrechung weiter verbessern.

Da in dem obigen Ausführungsbeispiel ist zur Erzeugung eines zu dem Lichtbogen parallelen Magnetfeldes keine eigene Wicklung erforderlich, da dies bereits durch die elektromagne­ tische Repulsionswicklung 17 erzeugt wird. Daraus resultiert ein platzsparender Aufbau.

Durch entsprechende Auswahl eines der Abgriffe 22 mittels des Umschalters 23 läßt sich bei dem obigen Ausführungsbei­ spiel der durch die Repulsionswicklung 17 fließende Gleich­ strom und damit der Magnetfluß Φ _S erhöhen oder verringern. Dadurch kann der Magnetfluß entsprechend der erforderlichen Unterbrechungsleistung eingestellt werden. Sind mehrere Vaku­ um-Trennschalter mit gleichen Leistungen vorhanden, so können die gleichen Abgriffe verwendet werden.

Aufgrund des in dem obigen Ausführungsbeispiel verwende­ ten Kondensators 26 nimmt der zwischen den Elektroden wirkende Magnetfluß Φ _S mit der Zeit ab. Auf diese Weise wird der Lichtbogen mit der Zeit t zunehmend gedämpft, wodurch der Un­ terbrechungs-Strompegel klein gemacht werden kann.

Der hier beschriebene Vakuum-Trennschalter kann in einem Gleichstromunterbrecher wie auch in einer geschlossenen Schalt­ tafel eingesetzt werden.

Bei dem beschriebenen Vakuum-Trennschalter bewegt sich auch dann, wenn die Elektroden durch die elektromagnetische Repulsionswicklung mit hoher Geschwindigkeit getrennt werden, der Lichtbogen nicht von den Elektroden weg. Dadurch wird der Unterbrechungsvorgang verbessert.

Claims (7)

1. Vakuum-Trennschalter, umfassend
mindestens ein eine feste Elektrode (6) und eine beweg­ bare Elektrode (7) umfassendes, in einem Vakuumgefäß (3) ange­ ordnetes Elektrodenpaar,
einen festen Stab (8) und einen bewegbaren Stab (9), die von den Elektroden (6, 7) aus dem Vakuumgefäß (3) nach außen verlaufen, wobei der bewegbare Stab (9) zur Stromunterbrechung derart bewegbar ist, daß sich die bewegbare Elektrode (7) von der festen Elektrode (6) entfernt, gekennzeichnet durch eine elektromagnetische Repulsions­ wicklung (17) und einen mit dem bewegbaren Stab (9) verbunde­ nen Kurzschlußring (16), die in der Umgebung des Elektroden­ paars (6, 7) angeordnet sind und zwischen denen eine elektro­ magnetische Abstoßungskraft erzeugbar ist.

2. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußring (16) und die Repulsionswicklung (17) das Vakuumgefäß (3) außen umgeben.

3. Trennschalter nach Anspruche 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Repulsionswicklung (17) über eine Isoliereinrichtung (19) von einem Rahmen (2) getragen ist.

4. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Repulsionswicklung (17) an eine Gleichstromversorgung (21) angeschlossen ist.

5. Trennschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Gleichspannungsversorgung (21) und die Re­ pulsionswicklung (17) ein Kondensator (26) und ein Schalter (25) eingeschaltet sind und der Schalter (25) bei abnormem Stromfluß durch den bewegbaren Stab (9) schließt, um den Kon­ densator (26) über die Repulsionswicklung (17) zu entladen.

6. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden der Repulsionswicklung (17) an einen Gleichrichter (24) bzw. einen Schalter (23) an­ geschlossen sind, die ihrerseits an ein Ende bzw. an einen Abgriff (222) der Sekundärwicklung (221) eines Transformators (22) angeschlossen sind.

7. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn­ zeichnet durch seine Verwendung in einer geschlossenen Schalt­ tafel oder in einem Gleichstromunterbrecher.