DE4302416A1 - Automatic earthing device e.g. for metal-encapsulated gas-insulated load isolating switch - increases pressure rapidly after sparking to activate device by pressure activated trigger mechanism - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine automatische Erdungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 für metallgekapselte, gasisolierte Lasttrennschalter. Tritt infolge eines Lichtbogens ein schneller Druckan­ stieg auf, so wird die automatische Erdungsvorrichtung durch einen druckbetätigbaren Auslösemechanismus aktiviert, der sich gemeinsam mit der automatischen Erdungsvorrichtung in der Metallkapselung bzw. im Metallgehäuse des Lasttrennschalters befindet. Durch die ausgelöste Erdungsvorrichtung werden drei Strom- bzw. Sammelschienen im Gehäu­ se kurzgeschlossen und gleichzeitig geerdet, wobei die Erdungsvorrich­ tung drei drehbare und durch Federkraft beaufschlagbare Sätze von Ar­ men aufweist.

Eine ähnliche Vorrichtung ist bereits aus dem norwegischen Patent Nr. 1 65 469 bekannt. Ein Nachteil bei dieser bekannten Vorrichtung ist darin zu sehen, daß sie im wesentlichen nur bei starken Lichtbögen anspricht. Andererseits ist nachteilig, daß sich die drehbaren Arme über einen relativ langen Winkelweg bewegen müssen, bevor sie in Druckkontakt mit den Sammelschienen kommen, die sich innerhalb des Gehäuses befinden. Un­ ter ungünstigen Umständen kann dies zu einer unvollständigen bzw. un­ befriedigenden Erdung der jeweiligen Arme bzw. Sammelschienen führen.

Eine entsprechende Vorrichtung ist auch aus der Zeitschrift "Elektrizi­ tätswirtschaft" (1986), Vol. 16/17, Seiten 616-618, bekannt. Darüber hinaus offenbart die DE-AS 25 05 158 einen Fühler oder Sensor, der auf ei­ nen Druckanstieg innerhalb eines geschlossenen Gehäuses ansprechen kann.

Es ist wichtig, daß eine Erdungsvorrichtung als vollständig separate Ein­ heit arbeitet, im Gegensatz zu der in der bereits genannten Zeitschrift "Elektrizitätswirtschaft" beschriebenen Lösung, bei der die Erdungsvor­ richtung auch bei normalen Betriebsarten verwendet wird. Eine separate Einheit führt zu einer höheren Betriebszuverlässigkeit, und man braucht sich nicht mehr zu fragen, ob deren Kontaktflächen bereits abgebrannt sind oder nicht.

Wichtig ist außerdem, daß der Aufbau der Erdungsvorrichtung nicht von der Konstruktion des Gehäuses des Lasttrennschalters abhängt. Vielmehr sollte die Erdungsvorrichtung bei allen Typen von Schaltern einsetzbar sein. Bei der in der bereits genannten Zeitschrift "Elektrizitätswirtschaft" erwähnten Lösung ist die Erdungsvorrichtung jedoch ein wesentlicher Be­ standteil der Gesamtkonstruktion (angeboten von der Firma Drischer). Wie bereits im Zusammenhang mit dem norwegischen Patent Nr. 1 65 469 erwähnt, ist es wichtig, die gesamte Erdungsvorrichtung innerhalb eines geschlossenen Gehäuses vorzusehen, um zu verhindern, daß sie auf Tem­ peraturänderungen innerhalb des Gehäuses oder auf Druckänderungen in der Atmosphäre anspricht. Ein wichtiges Merkmal ist es daher, daß es nicht möglich sein soll, auch bei einem größeren Temperaturanstieg in­ nerhalb des Tanks, der nicht durch einen offenen Lichtbogen verursacht wird, die Erdungsvorrichtung unbeabsichtigt auszulösen. Die Differenz zwischen dem Druck innerhalb des Schalttanks und dem Umgebungs­ druck ist daher nicht so wichtig. Wird die Erdungsvorrichtung innerhalb eines geschlossenen Gehäuses angeordnet, so ergibt sich der weitere Vor­ teil, daß sie nicht durch äußere Zustände beeinflußt werden kann, bei­ spielsweise durch Feuchtigkeit oder Schmutz. Dies könnte ansonsten zu Korrosionserscheinungen führen. Auch wird in einem solchen Fall ein bes­ serer Schutz der Erdungsvorrichtung beim Transport oder bei der Montage des Lasttrennschalters erhalten. Die Erdungsvorrichtung sollte vollauto­ matisch arbeiten, und es sollte nicht die Regel sein, daß ein Benutzer oder anderes Personal deren Betrieb beeinflußt. Mit anderen Worten soll die Er­ dungsvorrichtung nur dann arbeiten, wenn ein Fehler auftritt und da­ durch ein Lichtbogen erzeugt wird.

Wie auch im norwegischen Patent Nr. 1 65 469 beschrieben, soll die vorlie­ gende Vorrichtung in einem metallgekapselten Lasttrennschalter zum Einsatz kommen und sich innerhalb des Schaltergehäuses bzw. der Kap­ selung befinden. Die Erdungsvorrichtung wird nur durch einen schnellen Druckanstieg innerhalb des Schaltergehäuses bzw. der Kapselung akti­ viert, wobei der Druckanstieg durch einen Lichtbogen verursacht wird. Ein Drucksensor oder Detektor löst die Erdungsvorrichtung aus, die dann den oder die Lichtbögen kurzschließt und somit die Ursache für den Druckanstieg eliminiert. Eine wesentliche Aufgabe dieser Vorrichtung be­ steht darin, ein Öffnen der Druckverminderungseinrichtung des Systems zu vermeiden, um zu verhindern, daß Gas aus dem System in die Umge­ bung gelangt.

Metallgekapselte Schalter, in denen sich ein Gas als Isolationsmedium be­ findet, beispielsweise SF₆, N₂ oder Trockenluft, sind seit vielen Jahren be­ kannt. Diese Schaltertypen wurden zunächst im wesentlichen zum Schal­ ten von Hochspannungen (72,5 KV-300 KV) verwendet, wurden dann spä­ ter aber auch mehr und mehr zum Schalten niedrigerer Spannungen bis herab zu 12 KV-24 KV in Verteileranlagen eingesetzt. Die kompakte Struktur, Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit sind einige der Gründe für die Popularität derartiger Systeme.

Obwohl die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, daß in diesen geschlosse­ nen Schaltern ein Fehler auftritt, der zu einem Lichtbogen innerhalb des Systems führt, kann ein derartiges Ereignis trotzdem nicht ausgeschlos­ sen werden. Mit anderen Worten müssen die Systeme lichtbogengetestet sein, um die Sicherheit von Personen garantieren zu können, die sich vor dem oder in der Nähe des Systems befinden, da diese ansonsten erheblich gefährdet wären, wenn das System plötzlich infolge eines Fehlers Druck abbaut und Gas aus seinem Innern freigibt.

Im Falle eines Fehlers innerhalb des metallgekapselten Schalters verur­ sacht der Lichtbogen eine Temperaturerhöhung, die eine starke Druckver­ größerung nach sich zieht. Um eine unkontrollierte Beschädigung des Ge­ häuses zu vermeiden, ist dieses mit der bereits zuvor erwähnten Druckver­ minderungseinrichtung ausgestattet, die bei einem vorbestimmten Druck öffnet und Gas aus dem Innern des Gehäuses in kontrolliert er Weise nach außen freigibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte automatische Erdungsvorrichtung zu schaffen, die zuverlässig und schnell arbeitet, wenn Lichtbögen durch Fehler erzeugt werden, und zwar im Bereich von Kurzschlußströmen zwischen beispielsweise einem und zwanzig kA (50 kA asymmetrisch).

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die signifikantesten Verbesserungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen im Vergleich zur bekannten Vorrichtung nach dem norwegischen Patent Nr. 1 65 469 darin, daß der Druck innerhalb des Gehäuses detek­ tiert wird, die Struktur des Auslösemechanismus eine andere ist, und daß die Art und Weise, in der die Arme der Erdungsvorrichtung in Kontakt mit den Sammelschienen kommen, anders gestaltet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Erdungsvorrichtung besteht der Auslöseme­ chanismus aus einem Druckdetektor in Form eines Kolbens, der sich in ei­ nem zylindrischen Abschnitt einer geschlossenen Kammer bewegt, wobei die Kammer eine Belüftungsöffnung aufweist. Ein Eingriffsmechanismus für den Auslösemechanismus ist mit Hilfe des Kolbens über einen Verbin­ dungsmechanismus bewegbar. Ferner sind die Arme der Erdungsvorrich­ tung als Messerkontakte ausgebildet und auf einer gemeinsamen Dreh­ achse montiert, wobei die Drehachse einen Betätigungsarm aufweist, der mit einer Druckfeder verbunden ist bzw. zusammenarbeitet. Auf der Dreh­ achse ist ferner eine Auslöseklinke befestigt, die in einer ersten Position mit der Eingriffseinrichtung in Eingriff steht und bei Bewegung der Ein­ griffseinrichtung von dieser freigegeben wird, um die Erdungsvorrichtung auszulösen bzw. zu schalten, wobei sich die Arme der Erdungsvorrichtung drehen, und zwar so weit, daß die Sammelschienen über Kontaktblöcke geerdet werden.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung gehört zu der Eingriffseinrich­ tung eine Auslöseachse, die eine halbmondartige Ausnehmung aufweist, die zur Freigabe der Auslöseklinke dient, wenn sich die Auslöseachse dreht.

Um hohe elektrodynamische Kräfte zu vermeiden, die die Kontaktarme be­ einflussen, bevor sie in Kontakt mit den Sammelschienen kommen, kann das äußere Ende eines jeden Kontaktblocks leicht abgeschrägt sein und aus elektrisch isolierendem Material bestehen, so daß die Arme des Arm­ satzes für einen kurzen Moment beiseite gepreßt werden, bevor sie in di­ rekten Kontakt mit dem metallischen Teil des Kontaktblocks kommen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 die Anordnung der automatischen Erdungsvorrichtung in einem Schaltergehäuse,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. 1, wobei die automati­ sche Erdungsvorrichtung ausgerückt bzw. entkoppelt ist,

Fig. 4 eine Darstellung der Erdungsvorrichtung von Fig. 3 in ausgelö­ ster Position und

Fig. 5 das Prinzip eines Differenzialdruckmessers, der in der Einrich­ tung nach der Erfindung zum Einsatz kommt.

Die Fig. 1 zeigt ein Schaltergehäuse, wobei ein Abschnitt, in welchem die automatische Erdung erfolgt, mit dem Bezugszeichen IV versehen ist. Ein­ zelheiten sind in Fig. 4 gezeigt, aber auch in Fig. 3.

Die Fig. 1 und 2 lassen erkennen, daß die Erdungsvorrichtung direkt mit den Durchführungen zu den Kabelausgängen 16 verbunden ist. Die Fig. 3 zeigt die Erdungsvorrichtung in ausgerückter bzw. entkuppelter Po­ sition. Eine Verbindungsachse 1 wird z. B. mit Hilfe zweier Federn 2 vorge­ spannt, die an jedem Ende des Gehäuses befestigt sind. Mit dieser Achse 1 ist eine Auslöseklinke 3 verbunden, die mit einer halbmondartigen Aus­ nehmung 4′ zusammenwirkt, welche sich an einer Auslöseachse 4 befin­ det. Steigt der Druck innerhalb des Tanks an, so wird ein Kolben 5 eines Druckdetektors 12 nach rechts in Fig. 3 bewegt. Dabei dreht sich die Auslöseachse 4, die über ein Verbindungsglied 6 mit dem Kolben 5 verbun­ den ist, im Uhrzeigersinn in Fig. 3. Die Auslöseklinke 3 kann daher über den Rand der halbmondförmigen Ausnehmung 4′ gleiten, so daß jetzt die Federkräfte der Federn 2 freikommen und die Erdungsvorrichtung in ih­ ren Schaltzustand überführen, wie die Fig. 4 erkennen läßt.

In Fig. 4 befindet sich die Erdungsvorrichtung in ihrer ausgelösten Posi­ tion. Die Drehbewegung der Verbindungsachse 1 wird durch einen Stop­ per 13 (Anschlagkante) beendet. In diesem Zustand sind dann Messerkon­ takte 8 korrekt an einem Kontaktblock 9 positioniert. Dieser Kontaktblock 9 ist mit einer Nase oder einem Führungsglied 9′ versehen, welches an sei­ nem äußersten Abschnitt 9′′ abgeschrägt ist. Bewegen sich die Messerkon­ takte schnell auf den Kontaktblock 9 zu, so werden diese für eine kurzen Moment beiseite gedrückt, um anschließend in elektrisch leitfähigen Kon­ takt mit dem metallischen Teil des Kontaktblocks 9 zu kommen.

Die Fig. 3 zeigt einen Träger 10, der dazu dient, den Kolben 5 in die kor­ rekte Position herauszuziehen, wenn die Erdungsvorrichtung in der aus­ gerückten Position fixiert oder vorgespannt ist, nachdem ein herkömmli­ cher Funktionstest (bei neuen Systemen) in der Fabrik durchgeführt wor­ den ist. Die Fig. 4 läßt erkennen, daß der Träger 10, nachdem er sich von der in Fig. 4 gezeigten Position in die in Fig. 3 gezeigte Position gedreht hat, den Kolben 5 herausziehen und in die korrekte Position überführen kann. Dieses Spannen der Erdungsvorrichtung erfolgt durch eine Dre­ hung der Achse 1 und eines mit ihr verbundenen Achsvorsprungs 1′ (siehe Fig. 2). Der gesamte Mechanismus ist in einer Kassette 11 montiert, die sich ihrerseits im Gehäuse 7 befindet. Die Erdungsvorrichtung kann da­ her an verschiedene Typen von Gehäusesystemen angepaßt und in diese eingebaut werden.

Das Drucksystem 12 arbeitet praktisch als Differenzdruckmesser. Es ent­ hält im wesentlichen eine geschlossene Kammer 17 und einen bewegbaren Kolben 5. Die Kammer 17 weist eine kleine Belüftungsöffnung 14 auf. Bei Temperaturschwankungen im Tank während des Betriebs und nachfol­ genden geringen Druckänderungen im Tank wird sich der Druck P₂ daher von selbst einstellen und einen Wert einnehmen, der gleich dem Druck P₁ ist, welcher im Tank herrscht.

Das Volumen der Drucksensorkammer ist relativ groß im Vergleich zur Vo­ lumenverminderung, die infolge der Bewegung des Kolbens 5 auftritt. Dies ist wesentlich, um die kürzest mögliche Reaktionszeit für den Sensor zu erhalten. Eine Vergrößerung der Kolbenfläche führt zu einer größeren und in Fig. 5 gezeigten Kraft F₁ des Kolbens 5, gerichtet ins Innere der Kam­ mer 17. Jedoch wird zur selben Zeit auch eine größere Gegenkraft F_dv in­ folge einer bestimmten Kolbenwanderung (Migration) erhalten, da durch eine vergrößerte Kolbenfläche ein erhöhter Kompressionsdruck P₂ in der Kammer entsteht.

Die neue automatische Erdungsvorrichtung weist signifikante Vorteile ge­ genüber der im norwegischen Patent Nr. 165 469 beschriebenen Lösung auf. So ist die Schaltzeit ausgesprochen kurz, auch bei niedrigem Kurz­ schlußstrom und nachfolgendem niedrigen Druckanstieg im Tank. Dies läßt sich durch Optimierung der Größe der Kolbenfläche erreichen. Es gilt:

Hierin sind:
P₁ = Druck in der Sensorkammer vor Bewegung des Kolbens;
P₂ = Druck in der Sensorkammer nach Bewegung des Kolbens;
V₁ (A) = Volumen der Sensorkammer, ausgedrückt durch "A" nach Bewegung des Kolbens;
V₂ (A) = Volumen der Sensorkammer, ausgedrückt durch "A" nach Bewegung des Kolbens;
A = Kolbenfläche.

Allgemein ist die Beziehung F = P x A gültig.

Entsprechend der Fig. 5 liegen folgende Werte bzw. Größen vor:

F₁ = Kraft infolge des Druckanstiegs innerhalb des Gehäuses bzw. der Kapselung für den Fall eines Lichtbogens;
F_r = Kraft zur Drehung der Auslöseachse;
F_dv = Kraft infolge der Volumenänderung innerhalb der geschlossenen Differenzdruckbox 12;
F_leak = Kraft infolge einer Gasleckage in die Differenzdruckbox durch die Belüftungsöffnung 14 hindurch;
F_ma = F = m×a bezogen auf die bewegbaren Teile des Sensors;
F₁ = F_r + (F_dv+F_leak+F_ma) mit F_leak ≅ 0 für Lichtbogenzeit t <1 Sekunde und
F_ma ≅ 0 bei einem langsamen Druckanstieg.

Bei notwendiger und ausgewählter Kolbenbewegung X gilt:

Hierbei ist A₁ = A bei folgender Lösung:

F_1′ (A) F_r′ (A) + F_dv′ (A) = 0

Lichtbogentests haben gezeigt, daß die gefundene Lösung schon bei einem Kurzschlußstrompegel von nur 1 kA arbeitet, und zwar bei einer Schaltzeit von etwa 125 ms.

Die vorgeschlagene Vorrichtung verbessert somit die Einrichtungen nach dem Stand der Technik erheblich. Der erfindungsgemäße Aufbau ist darü­ ber hinaus unempfindlich gegenüber Vibrationen, und zwar infolge der re­ lativ hohen Kraft, die erforderlich ist, um die Erdungsvorrichtung auszu­ lösen. Zusätzlich sei noch erwähnt, daß die Auslöseachse 4 mit Hilfe einer Feder 15 (Fig. 3) um einige Grad vorgespannt ist.

Bewegt sich der Kolben 5 nach rechts in Fig. 3, so wird die Auslöseachse 4 im Uhrzeigersinn mitgedreht, wie bereits erwähnt. Die Auslöseachse 4 ist dabei mit zwei etwa im rechten Winkel zueinanderstehenden Schenkeln verbunden, wobei zwischen der Spitze des einen Schenkels das bereits ge­ nannte Verbindungsglied 6 liegt, über das der Schenkel mit dem Kolben 5 verbunden ist. Zwischen der Spitze des anderen der genannten Schenkel und dem Gehäuse liegt die Feder 15, die versucht, die Auslöseachse 4 im Gegenuhrzeigersinn zu drehen. Im gespannten Zustand liegt die Auslöse­ klinke 3 auf dem Rand der halbmondförmigen Ausnehmung 4′ (siehe Fig. 4), so daß sich die Verbindungsachse 1 nicht im Uhrzeigersinn drehen kann. Erst wenn der Kolben angezogen wird und sich nach rechts in Fig. 3 bewegt kann die Auslöseklinke 3 durch die Ausnehmung 4′ hindurch be­ wegt werden, so daß jetzt eine Drehung der Achse 1 im Uhrzeigersinn mög­ lich ist, um den Schaltzustand gemäß Fig. 4 einzunehmen. Die halb­ mondförmige Ausnehmung wird z. B. dadurch erhalten, daß die Auslöse­ achse in einer senkrecht zu ihrer Längsrichtung liegenden Ebene bis zur Hälfte abgetragen wird.

Claims (3)

1. Automatische Erdungsvorrichtung für metallgekapselte, gasisolier­ te Lasttrennschalter, die bei Auftreten eines elektrischen Lichtbogens durch einen druckbetätigbaren Auslösemechanismus (3, 4, 5, 6) aktiviert wird, wobei sich die Erdungsvorrichtung und der Auslösemechanismus vollständig innerhalb eines Schalter-Metallgehäuses (7) befinden und der Auslösemechanismus bei schnellem Druckanstieg die Erdungsvorrich­ tung freigibt, die in ihrer freien Endstellung drei im Schalter-Metallgehäu­ se vorhandene Stromschienen kurzschließt und gleichzeitig erdet sowie drei schwenkbare, mit Federkraft beaufschlagte Armsätze (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Auslösemechanismus aus einem Druckdetektor in Form eines Kol­ bens (5) besteht, der in einem zylindrischen Abschnitt einer geschlossenen Kammer (17) bewegbar ist, die eine Belüftungsöffnung (14) aufweist,
• - eine Eingriffseinrichtung (4, 4′) für den Auslösemechanismus mit Hilfe des Kolbens (5) über einen Verbindungsmechanismus (6) bewegbar ist,
• - die Arme (8) der Erdungsvorrichtung als Messerkontakte ausgebildet und auf einer gemeinsamen Drehachse (1) angeordnet sind,
• - die Drehachse (1) einen Betätigungsarm aufweist, der von einer Druckfe­ der (2) beaufschlagt wird, und
• - die Drehachse (1) zusätzlich eine Auslöseklinke (3) trägt, die in einer er­ sten Position in Eingriff mit der Eingriffseinrichtung (4, 4′) steht und bei Bewegung der Eingriffseinrichtung (4, 4′) außer Eingriff mit dieser kommt, so daß die Erdungsvorrichtung ausgelöst wird und sich die Arme (8) der Erdungsvorrichtung drehen, um schließlich die Sammelschienen über Kontaktblöcke (9) zu erden.

2. Automatische Erdungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Eingriffseinrichtung eine Auslöseachse (4) mit ei­ ner halbmondartigen Ausnehmung (4′) aufweist, um die Auslöseklinke (3) zu blockieren oder freizugeben.

3. Automatische Erdungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende eines jeden Kontaktblocks (9) leicht abgeschrägt und aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist.