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Hintergrund der Erfindunq
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Leistungsschaltungsunterbrecher und insbesondere
auf einen kompakten Leistungsschaltungsunterbrecher mit einem gegossenen
isolierenden Gehäuse
mit einer geerdeten Barriere zwischen den Polmechanismen und dem
Betätigungsmechanismus,
welches die Schutzfront vorsieht.
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Hintergrundinformation
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Leistungsschaltungsunterbrecher
für Systeme,
die über
ungefähr
1000 Volt arbeiten, verwenden typischerweise Vakuumunterbrecher
als Schaltvorrichtungen. Die Vakuumunterbrecher für jede Phase müssen in
adäquater
Weise elektrisch voneinander für
die Betriebsspannung isoliert sein. Wo ausreichend Raum verfügbar ist,
können
die Vakuumunterbrecher und die assoziierten Leiter ausreichend voneinander
beabstandet sein, um die erforderliche Isolation zu erreichen. Für höhere Spannungen
oder für eine
kompaktere Anordnung ist jeder Vakuumunterbrecher in einem getrennten
Abteil aufgenommen, welches aus einem elektrisch isolierenden Material gegossen
ist, wie beispielsweise aus Polyglas bzw. Polyacryl. Diese gegossenen
Abteile bzw. Umhüllungen
sind wiederum an einen Metallkasten geschraubt, der den Betätigungsmechanismus
enthält. Der
Metallkasten ist geerdet, um den Betätigungsmechanismus von der
Leitungsspannung der Leistungsschaltung zu isolieren. Manuelle Steuerungen
für den Betriebsmechanismus
sind an der vorderen Stirnseite des Metallkastens zugänglich.
Der Metallkasten sieht eine strukturelle Unterstützung für die getrennt aufgenommenen
Vakuumunterbrecher und den Betätigungsmechanismus
vor. Wenn der Metallkasten geerdet ist, sieht er auch eine „Schutzfront" (dead front) für den Unterbrecher
vor, die den Schutz für den
menschlichen Bediener vor der hohen Spannung der Leistungsschaltung
steigert. Dies ist insbesondere wichtig, wenn es einen Fehler innerhalb
des Leistungsabschnittes des Unterbrechers gibt. Der Metallkasten
sieht auch eine elektromagnetische Abschirmung vor, wo der Betätigungsmechanismus
empfindliche Elektronik aufweist, wie beispielsweise eine elektronische
Auslöseeinheit.
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Es
gibt einige Schaltungsunterbrecher am unteren Ende des Spannungsbereiches
für Leistungsunterbrecher,
die Phasenvakuumunterbrecher in Abteilen innerhalb eines gegossenen
isolierenden Gehäuses
aus einem Stück
aufnehmen. Jedoch verwenden diese Schaltungsunterbrecher auch einen Metallkasten,
um den Betätigungsmechanismus
aufzunehmen, und um eine Schutzfront und eine elektromagnetische
Abschirmung vorzusehen.
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Es
sei hingewiesen auf US-A-5 668 361, auf US-A-895 199, auf EP-A-0
450 397, auf US-A-3 601 565 und auf US-A-5 931 290. Insbesondere
offenbart US-A-5 668 361 einen Vakuumschaltungsunterbrecher mit
seinem Betätigungsmechanismus,
der eine Elektromagnetspule und eine Feder aufweist, die in einem
Metallkasten aufgenommen sind, der an dem Isolatorkörpergehäuse des
Vakuumunterbrechers befestigt ist.
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Es
ist eine Notwendigkeit erkannt worden, die Größe von Leistungsschaltungsunterbrechern
in dem Bereich über
1000 Volt zu reduzieren. Jedoch erfordert dies auch die Verringerung
der Größe des Betätigungsmechanismus.
Ein kleinerer Betätigungsmechanismus
liefert weniger Energie, was eine Herausforderung darstellt. Eine
beträchtliche
Energiemenge ist erforderlich, um einen Leistungsunterbrecher in
dem entsprechenden Strom in einem Verteilungssystem zu schließen, bei
dem Lasten angeschaltet sind. Die duktilen bzw. verformbaren Stahlkästen in
denen die Betätigungsmechanismen
gegenwärtig
aufgehängt
bzw. montiert sind, nehmen eine beträchtliche Energiemenge durch
Verbiegung und Verzerrung auf, jedoch ist der Mechanismus ausreichend
robust, um solche Verluste aufzunehmen. Die kleineren Betätigungsmechanismen,
die für
den kompakten Leistungsschaltungsunterbrecher erforderlich sind,
können
sich solche Verluste nicht leisten.
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Es
gibt eine Notwendigkeit für
einen verbesserten kompakten Leistungsschaltungsunterbrecher. Es
gibt eine weitere sperielle Notwendigkeit für einen solchen kompakten Leistungsschaltungsunterbrecher,
der mit einem kleineren weniger kraftvollen Betätigungsmechanismus funktionieren
kann.
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Es
gibt eine damit in Beziehung stehende Notwendigkeit für einen
derartigen kompakten Leistungsschaltungsunterbrecher, der strukturell
steif ist, um mechanische Verluste zu minimieren.
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Es
gibt eine weitere Notwendigkeit für einen derartigen kompakten
Leistungsschaltungsunterbrecher der eine Schutzfront (dead front)
vorsieht, um den Bediener vor der Leitungsspannung und den Betätigungsmechanismus
vor elektromagnetischer Gegenwirkung zu schützen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
und andere Notwendigkeiten werden durch die Erfindung erfüllt, die
auf einen Leistungsschaltungsunterbrecher mit einem gegossenen isolierenden
Gehäuse
mit einer Vielzahl von Polhohlräumen
gerichtet ist, die jeweils trennbare Kontakte in einem Polmechanismus
aufnehmen. Vorzugsweise ist der Polmechanismus ein Vakuumunterbrecher.
Der Schaltungsunterbrecher weist auch einen Betätigungsmechanismus zum Öffnen und
Schließen
der trennbaren Kontakte der Polmechanismen auf. Dieser Betätigungsmechanismus
wird von dem gegossenen isolierenden Gehäuse getragen. Ein Erdungssystem
weist eine geerdete Barriere auf, die zwischen den Polmechanismen
und dem Betätigungsmechanismus
angeordnet ist, um eine Schutzfront für den Schaltungsunterbrecher
vorzusehen, und um den Betätigungsmechanismus
vor elektromagnetischer Strahlung zu schützen. Das gegossene isolierende
Gehäuse
sieht die elektrische Isolation vor, die gestattet, dass die Polmechanismen
näher zusammen
montiert sind, und sieht auch eine steife strukturelle Befestigung
für den
Betätigungsmechanismus vor.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat
das gegossene isolierende Gehäuse
einen hinteren Abschnitt, der die Polhohlräume aufweist, und einen vorderen
Abschnitt, an dem der Betätigungsmechanismus
montiert ist, wobei die geerdete Barriere sandwichartig dazwischen
aufgenommen ist. Der hintere Abschnitt und der vordere Abschnitt
des gegossenen isolierenden Gehäuses
sind miteinander verklemmt, wobei die geerdete Barriere dazwischen ist,
und zwar durch Befestigungsmittel, die sich durch Öffnungen
in der geerdeten Barriere erstrecken.
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Die
geerdete Barriere ist ein elektrisch leitendes im Wesentlichen ebenes
Glied, welches sich seitlich über
das gegossene Gehäuse
hinaus erstrecken kann, um sowohl horizontal als auch vertikal mit der
Schutzfront der Schaltmechanikanordnung eine Schnittstelle herzustellen,
in der der Schaltungsunterbrecher eingebaut ist. Alternativ hat
das ebene Glied sich vorwärts
erstreckende Flansche entlang der Seitenkanten.
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Das
Erdungssystem kann auch eine elektrisch leitende Pfanne aufweisen,
die sich unter dem gegossenen isolierenden Gehäuse erstreckt. Diese Pfanne
und die geerdete Barriere sind elektrisch miteinander und mit Erde
verbunden. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung
weist der Betätigungsmechanismus
elektrisch leitende Betätigungsverbindungen
auf, die in der elektrisch leitenden Pfanne montiert sind und elektrisch
an dieser geerdet sind und die mechanisch mit den Polmechanismen
verbunden sind, um die trennbaren Kontakte zu öffnen und zu schließen.
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Der
Schaltungsunterbrecher hat eine Abdeckung, die den Betätigungsmechanismus
umschließt,
und zwar mit Öffnungen
zum Zugriff auf manuelle Steuerungen. Vorzugsweise ist diese Abdeckung
eine gegossene isolierende Abdeckung.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Ein
vollständiges
Verständnis
der Erfindung kann aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
gewonnen werden, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
gelesen werden, in denen die Figuren Folgendes darstellen:
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1 eine
isometrische Ansicht des Vorderteils des Schaltungsunterbrechers
gemäß der Erfindung,
wobei die Abdeckung entfernt ist.
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2 eine
isometrische Ansicht des gegossenen isolierenden Gehäuses und
der geerdeten Barriere, die einen Teil des Schaltungsunterbrechers der 1 bildet,
und zwar von hinten gesehen.
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3 eine
isometrische Ansicht des Vorderteils des hinteren Abschnittes des
gegossenen isolierenden Gehäuses,
welches einen Teil des Schaltungsunterbrechers der 1 bildet.
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4 einen
vertikalen Längsschnitt
durch den Schaltungsunterbrecher der 1.
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Kurze Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Mit
Bezug auf 1 ist der Schaltungsunterbrecher 1 der
Erfindung ein Leistungsunterbrecher mit mehreren Polen, der ein
gegossenes isolierendes Gehäuse 3 besitzt,
welches in einen hinteren Abschnitt 5 und einen vorderen
Abschnitt 7 aufgeteilt ist. Diese Abschnitte des Gehäuses sind
aus einem elektrisch isolierenden Material gegossen, wie beispielsweise
aus Glas-Polyester.
Das hintere Gehäuse 5, welches
am besten in 2 und 3 zu sehen
ist, ist als ein einziges Stück
mit einer Vielzahl von Polhohlräumen 9 gegossen.
Der beispielhafte Schaltungsunterbrecher 1 hat drei solche
Polhohlräume 9a –9c für
jede Phase eines dreiphasigen Verteilungssystems. Jeder Hohlraum
nimmt einen Polmechanismus 11 auf, der bei dem beispielhaften
Unterbrecher einen Vakuumunterbrecher 13 aufweist, wie
in 4 zu sehen. Der Leistungsschaltungsunterbrecher 1 weist
weiter ein Erdungssystem 15 auf, welches eine geerdete
Barriere in Form des ebenen Gliedes 17 aufweist, welches
sandwichartig zwischen dem hinteren Abschnitt 5 und dem
vorderen Abschnitt 7 des gegossenen isolierenden Gehäuses 3 aufgenommen ist.
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Diese
Komponenten sind durch eine Anzahl von Befestigungsmitteln 19 in
Form von Bolzen bzw. Schrauben zusammengeklemmt, die sich durch Öffnungen 21 in
die geerdete Barriere 17 erstrecken. Die Stifte 23,
die auf der vorderen Stirnseite 25 des hinteren Abschnittes 5 des
gegossenen Gehäuses 3 gegossen
sind, laufen durch zusätzliche Öffnungen 27 in
der geerdeten Barriere 17 und stehen mit den Löchern 29 im
hinteren Teil des vorderen Abschnittes 7 in Eingriff. Diese
Anordnung erzeugt eine starre Tragstruktur 31, die eine
Schutzfront aufweist, die von der geerdeten Barriere 17 vorgesehen
wird.
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Der
Leistungsschaltungsunterbrecher 1 weist weiter einen Betätigungsmechanismus 33 auf, der
an dem Vorderteil des vorderen Abschnittes 7 des gegossenen
isolierenden Gehäuses 3 angebracht
ist. Vorzugsweise ist dieser Betätigungsmechanismus 33 ein
kompakter modularer Betätigungsmechanismus
mit hoher Energie von einer Bauart, wie sie beispielsweise im US-Patent 5 931 290
beschrieben wird. Der Betätigungsmechanismus 33 wird
von einer Abdeckung 35 umschlossen, die vorzugsweise aus
einem isolierenden Material gegossen ist, wiederum beispielsweise
aus Glas-Polyester. Der Betätigungsmechanismus 33 weist
Steuerungen an seiner vorderen Stirnseite auf, wie beispielsweise Druckknöpfe 37 und
Anzeigen 39, die durch eine Öffnung 41 in der Abdeckung 35 zugänglich sind.
Eine Ausleseeinheit 43, die am vorderen Teil des Betätigungsmechanismus 33 montiert
ist, ist durch eine andere Öffnung 45 in
der Abdeckung zugänglich.
Zusätzlich
ist eine Handgriff 47 zur manuellen Aufladung bzw. Spannung
des Betätigungsmechanismus durch
den Schlitz 49 in der Abdeckung zugänglich.
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Wie
am besten in 4 gezeigt, haben Vakuumunterbrecher
trennbare Kontakte 51, die in einer Vakuumumhüllung 53 aufgenommen
sind. Der obere oder feste Kontakt der trennbaren Kontakte 51 ist
elektrisch mit einem Leitungsleiter 55 verbunden, der sich
nach hinten zur Verbindung mit einem (nicht gezeigten) Anwendungsbus
bzw. Leitungsbus erstreckt. Der untere oder bewegbare Kontakt der trennbaren
Kontakte 51 ist durch einen flexiblen Nebenschluss bzw.
Shunt 54 mit einem Lastleiter 56 verbunden, der
sich genauso nach hinten zur Verbindung mit einem (nicht gezeigten)
Lastbus erstreckt. Der bewegbare Kontakt ist mechanisch durch eine Isolator/Antriebseinheit 57,
die eine elektrische Isolation und eine Federvorspannung vorsieht,
mit einer Betätigungsverbindung
in Form eines Kurbelhebels 59 verbunden. Der Kurbelhebel 59 ist
schwenkbar an einer elektrisch leitenden Pfanne 61 montiert,
die sich unter dem gegossenen isolierenden Gehäuse 3 erstreckt. Diese
elektrisch leitende Pfanne 61 bildet einen Teil des Erdungssystems 15 und
ist direkt durch die Schraube 60 an dem Flansch 17f der
geerdeten Barriere 17 gesichert und ist daher in elektrischem Kontakt
damit. Die Kurbelhebel 59, die für jeden der Vakuumunterbrecher 13 vorgesehen
sind, sind aus der Stahlplatte gemacht und sind schwenkbar an elektrisch
leitenden Metallbefestigungen 62 montiert, die an der Pfanne 61 angeschraubt
sind, so dass Verbindungen auch elektrisch geerdet sind. Die vorderen
Enden der Kurbelhebel 59 sind mit dem Betätigungsmechanismus 33 durch
eine Verbindung 64 verbunden.
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Wie
es üblich
ist, weist der Betätigungsmechanismus 33 eine
(nicht gezeigte) Verschlussfeder auf, die entweder manuell durch
die Betätigung
des Handgriffes 47 oder automatisch durch einen Motor 63 geladen
wird. Die trennbaren Kontakte 51 in jedem der Pole werden
durch Lösen
der Verschlussfeder geschlossen, entweder manuell durch Drücken des
geeigneten Druckknopfes 37 oder ferngesteuert durch eine
Nebenschlussauslösung,
wobei jeder davon die Isolator/Antriebseinheiten 57 durch
die Verbindungen 59 betätigt.
Die trennbaren Kontakte 51 werden unter Verwendung der
Energie geöffnet,
die in einer (ebenfalls nicht gezeigten) offenen Feder in dem Betätigungsmechanismus 33 gespeichert
ist. Die trennbaren Kontakte 51 können automatisch durch die
Auslöseeinheit 43 ansprechend
auf gewisse Strom/Zeit-Charakteristiken
des Stroms geöffnet werden,
der durch den Schaltungsunterbrecher fließt, manuell durch Drücken des
geeigneten Druckknopfes 37 oder ferngesteuert durch einen
anderen (nicht gezeigten) Elektromagneten.
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Die
beim Öffnen
und Schließen
der trennbaren Kontakte verwendete Energie erzeugt Kräfte, die dazu
tendieren, die Schaltungsunterbrecherstruktur zu verwerfen. Jedoch
sieht das gegossene isolierende Gehäuse 3 eine steife
Struktur vor, die weniger Verluste zur Folge hat als die Metallkästen, die
bei den gegenwärtigen
Leistungsschaltungsunterbrechern in diesem Bereich verwendet werden.
Zusätzlich
sieht das gegossene isolierende Gehäuse 3 die erforderliche
elektrische Isolation vor, während
die geerdete Barriere 17 eine Schutzfront vorsieht, die
einen Bediener vor der hohen Spannung in dem Polmechanismus 11 schützt, der
auf die Druckknöpfe 37,
den Handgriff 47 und die Auslöseeinheit 43 zugreift.
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Wie
in den 3 und 4 zu sehen, hat die vordere
Stirnseite 25 des hinteren Abschnittes 5 des gegossenen
Gehäuses 3 eine
Ausnehmung 65 benachbart zu den Vakuumunterbrechern 13 in
den Polhohlräumen 9a –9c . Diese Ausnehmung 65, die durch
die Seitenkante und die oberen Kantenwände 67 und eine Bodenleiste 69 gebildet
wird, sieht einen Luftspalt zwischen dem isolierenden Material des Gehäuses 3 und
der geerdeten Barriere 17 vor. Vorzugsweise erstreckt sich
eine gemeinsame Ausnehmung 65 über die Stirnseite 25 des
hinteren Abschnittes des gegossenen isolierenden Gehäuses 3. Dieser
Luftspalt zusammen mit dem Luftspalt 71 in den Polhohlräumen 9 zwischen
den Vakuumunterbrechern 13 und der vorderen Wand 73 der
Polhohlräume
sieht einen gesteigerten Schutz vor Lichtbögen vor, die durch das Gehäuse aufgrund
eines Fehlers in einem Polhohlraum brennen könnten. Diese Ausnehmung 65 ist
seitlich und vertikal durch Schlitze 75 durch die Kantenwände 67 des
Gehäuses 3 entlüftet, um
den Aufbau von Kondensation zu verhindern und um ionisierte Luft
auszulassen.
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Die
geerdete Barriere 17 ist eine elektrisch leitende Platte,
wie beispielsweise eine Stahlplatte, die sich vollständig über die
gegenüberstehenden Stirnseiten
des hinteren Abschnittes 5 und den vorderen Abschnitt 7 des
gegossenen isolierenden Gehäuses 3 erstreckt.
Wie in den 1 und 2 gezeigt,
erstrecken sich die Flansche 77 nach vorne entlang der
Seitenkanten der ebenen geerdeten Barriere 17. Die abgerundeten
Ecken, die von diesen Kanten erzeugt werden, verringern die Feldspannungspunkte
an den Enden der ebenen Barriere und eliminieren scharfe Kanten.
Alternativ könnte
sich die ebene geerdete Barriere seitlich nach außen sowohl horizontal
als auch vertikal über
das gegossene isolierende Gehäuse 3 erstrecken,
um mit der Schutzfront einer Schaltmechanismusanordnung zusammen
zu passen, in der der Schaltungsunterbrecher eingebaut werden kann,
um dadurch eine Abschirmung zu bilden, die den Bediener vor einer
Explosion bzw. einem Schlag schützt,
der durch einen Fehler verursacht wird. Hubstreifen 79 sind
an der geerdeten Barriere 17 gesichert, um den Leistungsschaltungsunterbrecher 1 handzuhaben.
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Während spezielle
Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Detail beschrieben worden sind, wird es dem Fachmann
klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Alternativen an
jenen Details im Lichte der gesamten Lehre der Offenbarung entwickelt
werden könnten.
Entsprechend sollen die offenbarten speziellen Anordnungen nur veranschaulichend
und nicht einschränkend
für den
Umfang der Erfindung sein, dem die volle Breite der beigefügten Ansprüche und
irgendwelcher und aller äquivalenter
Ausführungen
davon zu geben ist.