DE68918047T2 - Trennschalter. - Google Patents

Description

Gebiet Der Erfindung und Erklärung bezüglich des verwandten Fachgebiets 1. Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen Trennsschalter zum Trennen einer Stromschine oder einer Leitung durch Trennung eines darin fließenden Stroms in einem Elektrizitätswerk oder einer Transformatorstation.
2. Beschreibung des verwandten Fachgebiets
• Ein konventioneller Trennschalter ist beispielsweise in dem japanischen Amtsblatt für nichtgeprüfte veröffentlichte Gebrauchsmusteranmeldungen (Jikkai) Sho 60-88440 offenbart, welcher in Figuren 5(a), 5(b) und 5(c) gezeigt ist. Diese Figuren zeigen fragmentarische Querschnittsansichten des Unterbrechungsteils in dem Trennschalter bei einem Trennprozeß. Figuren 6(a), 6(b), 6(c) zeigen äquivalente Schaltungen, welche Figuren 5(a), 5(b) bzw. 5(c) entsprechen. Der Unterbrechungsteil besteht aus einem Hauptkontakt 2, einem Lichtbogenkontakt 3 und einem beweglichen Kontakt 1. Der Lichtbogenkontakt 3 erstreckt sich über den Hauptkontakt 2 zum beweglichen Kontakt 1 hin. Der dem Material zugehörige Widerstandswert, welcher einen relativ hohen Widerstandswert des Lichtbogenkontakts 3 aufweist, ist in Figuren 6(a), 6(b) und 6(c) als äquivalenter Widerstand gezeigt. Ein Schalter 5 besteht aus dem beweglichen Kontakt 1 und dem Hauptkontakt 2, und ein Schalter 6 besteht aus dem beweglichen Kontakt 1 und dem Lichtbogenkontakt 3. Lichtbögen werden an Kontakttrennungen in den Schaltern 5 und 6 erzeugt.
• Die Kontakttrennungsbewegung des konventionellen Trennschalters wird unter Bezugnahme auf Figuren 5 und 6 und die nachfolgende Offenbarung erklärt. Figuren 5(a) und 6(a) zeigen einen geschlossenen Zustand des Trennschalters. Sowohl die Schalter 5 als auch 6 sind geschlossen, wobei der bewegliche Kontakt 1 und der Hauptkontakt 2 sich berühren und eine Verbindung herstellen. In diesem Fall fließt ein Strom I, der durch einen Pfeil dargestellt ist. Als nächstes wird der bewegliche Kontakt 1 zum Trennen von dem Hauptkontakt wegbewegt, er berührt jedoch noch den Lichtbogenkontakt 3, wie in Figuren 5(a) und 6(b) gezeigt ist; während lediglich der Schalter 5 geöffnet ist, ist der Schalter 6 immer noch geschlossen. In diesem Fall fließt der Strom I in den Schalter 6 und durch den Widerstand 4. Danach wird der bewegliche Kontakt 1 weiter zum Trennen von dem Lichtbogenkontakt 3 wegbewegt, wie in Figuren 5(c) und 6(c) gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird an dem Schalter 6 ein Lichtbogen 7 erzeugt, welcher sich quer über die Lücke zwischen dem Lichtbogenkontakt 3 und dem beweglichen Kontakt 1 ausbildet. Eine Strombegrenzungsaktion durch den Widerstand 4 beschleunigt die Löschung des Lichtbogens 7. Zur selben Zeit ist die Unterbrechung abgeschlossen.
• Bei dem oben erwähnten Trennschalter wird der innewohnende spezifische Widerstand des Materials des Lichtbogenkontakts 3 als solches als der Widerstand 4 verwendet, und die strombegrenzende Aktion des Widerstands 4 verbessert die Unterbrechungs-Charakteristik. Der Wert des Widerstands wird durch das verwendete Material und die Größe (Dicke und Länge) des Lichtbogenkontakts 3 bestimmt und liegt etwa innerhalb des Bereiches von mehreren hundert uΩ bis tausend uΩ Somit ist die Struktur des konventionellen Trennschalters lediglich in einem relativ kleinen Strombereich zur Verbesserung der Unterbrechungs-Charakteristik geeignet.
• Wenn der oben erwähnte konventionelle Trennschalter als Trennschalter mit großer Belastbarkeit sowie zum Trennen von Strom einer Stromstärke von etwa 8000 A verwendet werden soll, ist es nötig, dessen Unterbrechungs-Charakteristik auf der Basis der Stromunterbrechungsaktion durch Erhöhen des Wertes des Widerstands 4 zu verbessern. Somit wird ein Ansteigen des innnewohnenden spezifischen Widerstands des Lichtbogenkontakts 3 erfordert. Um den innewohnenden spezifischen Widerstandswert zu erhöhen, wird die Entwicklung eines neuen Materials erfordert, welches sowohl den spezifischen Widerstand des Lichtbogens als auch den innewohnenden spezifischen Widerstand mehrere tausend Male so groß wie der für Cu besitzt oder bei welchem sowohl die Länge des Lichtbogenkontakts vergrößert als auch dessen Dicke verringert ist. Die Erzeugung eines solchen neuen Materials hat sich bis in die jüngste Vergangenheit als wenig hoffnungsvoll erwiesen, und die oben erwähnte Vergrößerung der Länge sowie die Verringerung der Dicke des Lichtbogenkontakts führt zu Nachteilen wie dem Verringern der mechanischen Zuverlässigkeit und dem Anwachsen der Größe des Schalters.
• Die DE-A-3242014 bezieht sich auf einen Trennschalter mit einem Gehäuse, einem festen Elektrodenschild, einem beweglichen Elektrodenschild, einem beweglichen Kontakt, einem Hauptkontakt, einem Widerstand, einem Lichtbogenkontakt, einer Reihenschaltung aus einem ersten Schalter und dem Widerstand und einem zweiten Schalter, welcher parallel mit der Reihenschaltung verbunden ist, wobei der zweite Schalter vor dem ersten Schalter geöffnet wird. Da der Widerstandswert des Widerstands nicht innerhalb eines Bereiches definierter Werte bestimmt ist, entspricht die Unterbrechungs-Charakteristik oft nicht einer geforderten Qualität, insbesondere dann nicht, wenn ein hoher Strom zu unterbrechen ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Trennschalter vorzusehen, welcher eine verbesserte Unterbrechungs-Charakteristik besitzt.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs.
• Während die neuen Merkmale der Erfindung in dem beigefügten Anspruch dargelegt sind, kann die Erfindung bezüglich Gestaltung und Gehalt in Verbindung mit weiteren Vorteilen und Merkmalen aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der dazugehörigen Zeichnung besser verstanden und gewürdigt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine vertikale Querschnittsansicht eines Trennschalters einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
• Figuren 2(a), 2(b) und 2(c) vertikale Querschnittsansichten des Trennschalters in unterschiedlichen Zuständen eines Trennprozesses,
• Figuren 3(a), 3(b) und 3(c) äquivalente Schaltungsdiagramme für eine einzige Leitung des Trennschalters entsprechend Figuren 2(a), 2(b) bzw. 2(c),
• Fig. 4 einen Graphen, welcher die erste Beziehung zwischen dem Widerstandswert R eines Widerstands und die Hauptlichtbogenperiode des Hauptkontakts 2 und die zweite Beziehung zwischen dem Widerstandswert R eines Widerstands und einer Hauptlichtbogenperiode des Lichtbogenkontakts 3 darstellt,
• Figuren 5(a), 5(b) und 5(c) fragmentarische Querschnittsansichten des Unterbrechungsteils des konventionellen Trennschalters in einem Trennprozeß, und
• Figuren 6(a), 6(b) und 6(c) äquivalente Schaltungsdiagramme für eine einzige Leitung des Trennschalters entsprechend Figuren 5(a), 5(b) bzw. 5(c).
• Es sollte erwähnt werden, daß einige oder alle Figuren schematische Repräsentationen zum Zwecke der Erläuterung darstellen und notwendigerweise nicht die tatsächliche relative Größe oder die Position der Elemente zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Es wird hernach eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung von Fig. 1 bis Fig. 4 dargestellt.
• Fig. 1 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Trennschalters der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 wird ein befestigter Elektrodenschild 8 (welcher einen befestig ten Kontakt, nämlich einen Hauptkontakt 2 empfängt), der ein Verbindungsteil (Steckverbinder) 18a aufweist, von einem Isolator 17(a) gehalten, der in einem Gehäuse 10 von dessen Peripherie gehalten wird. Ebenso wird ein beweglicher Elektrodenschild 9 (welcher einen beweglichen Kontakt 1 aufweist), der ein Verbindungsteil (Steckverbinder) 18b besitzt, von einem Isolator 17b gehalten, welcher in dem Gehäuse 10 von dessen Peripherie getragen wird.
• In dem befestigten Elektrodenschild 8 ist ein tragender Leiter 20 zum Tragen eines Lichtbogenkontakts 3, der Hauptkontakt 2 und Widerstände 16 usw. angeordnet. Der Lichtbogenkontakt 3 ist aus einem oberen Ende 3a, einem mittleren Flanschteil 3c und einem Endstück 3b zusammengesetzt. Eine Druckfeder 15 ist zwischen einer Verbindungsleiterplatte 21 und dem mittleren Flanschteil 3c angebracht. Das mittlere Flanschteil 3c wird gegen einen Isolator 20a gedrückt, welcher an dem tragenden Leiter 20 durch die Rückstellkraft der Feder 15 befestigt ist. Der Lichtbogenkontakt 3 wird gleitendend in einem Durchgangsloch des Isolators 20a gehalten. Der Lichtbogenkontakt 3 wird von dem Isolator 20a isoliert und ist daher niemals mit dem tragenden Leiter 20 direkt elektrisch verbunden. Wenn der bewegliche Kontakt sich nach oben bewegt und das obere Ende 3a nach oben stößt, überwindet die nach oben gerichtete Bewegung des Lichtbogenkontakts die Rückstellkraft der Feder 15. Daher gleitet der Lichtbogenkontakt 3 nach oben und gleitet durch das Durchgangsloch des Isolators 20a. Das Endstück 3b des Lichtbogenkontakts 3 wird in einen Gleitleiter 14 eingesetzt, wodurch der Lichtbogenkontakt 3 elektrisch mit dem Gleitleiter 14 während des Gleitens nach oben und unten verbunden wird. Der Gleitleiter 22 ist an der Verbindungsleiterplatte 21 befestigt. Ein Stapel mehrerer ringförmiger Widerstände 16, welche aus Kohlewiderständen oder ähnlichem gebildet sind, ist zwischen der Verbindungsleiterplatte 21 und dem Trageleiter 20 angebracht. Der Hauptkontakt 2 ist an dem Trageleiter 20 befestigt.
• In dem beweglichen Elektrodenschild 9 gibt es einen Trageleiter 21, welcher elektrisch damit verbunden ist, und einen beweglichen Kontakt 1. Der bewegliche Kontakt 1 besteht aus einem zylindrischen Teil 1a und einem Plattenteil 1b. Das Plattenteil 1b ist mit einer Kurbelnocke 22 verbunden, welche von einem Isolatorstab 12 getrieben wird. Die Seitenoberfläche des oberen Teils des zylindrischen Teils 1a gleitet in Durchgangslöchern des Trageleiters 21 und eines Gleitleiters 13. Somit ist der bewegliche Kontakt 1 elektrisch mit dem beweglichen Elektrodenschild 9 durch den Gleitleiter und den Trageleiter 21 verbunden. Ein Antriebsmechanismus 11 treibt die Kurbelnocke 22 durch Drehung des Isolatorstabs 12. Der Isolatorstab isoliert den beweglichen Kontakt 1 auf einem hohen Potential von dem Antriebselement 11, welcher ein geerdetes Potential besitzt.
• Als nächstes wird die Kontaktierungsbewegung des oben erwähnten Trennschalters unter Bezugnahme auf die Figuren 2(a), 2(b) und 2(c) erklärt. Figuren 2(a), 2(b) und 2(c) zeigen vertikale Querschnittsansichten von verschiedenen Stufen des Trennprozesses des Trennschalters. Gemäß Fig. 2(a), in welchem ein geschlossener Zustand des Trennschalters gezeigt ist, kontaktiert der bewegliche Kontakt 1 sowohl den Hauptkontakt 2 als auch das obere Ende 3a. Ein Strom fließt hauptsächlich durch den beweglichen Kontakt 1 und den Hauptkontakt 2. Als nächstes wird der bewegliche Kontakt 1 von dem Ansteuerungselement 11 nach unten bewegt, und der bewegliche Kontakt 1 trennt sich vom Hauptkontakt 2, wie in Fig. 2(b) gezeigt ist, jedoch befindet sich die Oberfläche des oberen Endes des beweglichen Kontakts 1 immer noch in Kontakt mit dem Lichtbogenkontakt 3. Danach fließt der Strom durch den beweglichen Kontakt 1, den Lichtbogenkontakt 3, den Gleitleiter 14, die Verbindungsleiterplatte 21, den Widerstand 16 und den Trageleiter 20 in dieser Reihenfolge zu dem festen Elektrodenschild 8. Der Strom ist genügend durch die Strombegrenzungsaktion des Widerstands 16 begrenzt. Als nächstes bewegt sich der bewegliche Kontakt weiter nach unten, und schließlich trennt sich die Oberfläche des oberen Endes des beweglichen Kontakts 1 von dem Lichtbogenkontakt 3, wie in Fig. 2(c) gezeigt ist, und der von dem Widerstand begrenzte Strom wird unterbrochen.
• Hiernach wird eine Erklärung bezüglich des bevorzugten Wertes für die oben erwähnten Widerstände 16 gegeben, welche für einen Trennschalter geeignet sind. Zuerst wird ein Prinzip der oben erwähnten Unterbrechung unter Verwendung eines Widerstands erklärt. Figuren 3(a), 3(b) und 3(c) zeigen bezüglich einfacher Leitungen äquivalente Schaltungsdiagramme des in Figuren 2(a), 2(b) bzw. 2(c) gezeigten Trennschalters. In Figuren 3(a), 3(b) und 3(c) bezeichnet P eine Spannungsquelle, Z&sub0; die Impedanz der Spannungsquelle, Z&sub1; eine Zuführungsschleifenimpedanz und Z eine Lastimpedanz. I bezeichnet den Gesamtstrom bzw. den Laststrom. Ein Trennschalter DS&sub1;, welcher den Trennschalter von Fig. 1 darstellt, trennt den Laststrom I. IR bezeichnet einen Teil des Stroms, welcher durch einen Schalter 6 fließt, der durch den beweglichen Kontakt A1 und den Lichtbogenkontakt 3 (von Fig. 2) gebildet wird, und die damit in Reihe verbundenen Widerstände 16. IM bezeichnet einen Teil des Stromes, welcher durch einen Schalter 5 fließt, der durch den beweglichen Kontakt 1 und den Hauptkontakt 2 gebildet ist.
• V bezeichnet eine Spannung über der Zuführungsleitung, und V&sub1; bezeichnet eine Spannung über dem Trennschalter DS&sub1;, und VS6 bezeichnet eine Spannung über dem Schalter 6. In dem System gilt im allgemeinen folgende Ungleichung:
• Z » Z&sub0;, Z&sub1; (1)
• Wenn der Trennschalter DS&sub1; geschlossen ist, nämlich wenn sowohl der Schalter 5 als auch der Schalter 6 geschlossen ist (Fig. 3(a)), ergibt sich für I:
• I = IR + IM (2)
• Wenn der Trennschalter DS&sub1; geöffnet wird, verändert sich zuerst der Zustand des in Fig. 2(a) gezeigten Trennschalters DS&sub1; zu dem von Fig. 2(b). In dem Zustand von Fig. 2(b) ist der bewegliche Kontakt 1 von dem Hauptkontakt 2 getrennt, d.h. der Schalter 5 ist geschlossen. Aber der bewegliche Kontakt 1 befindet sich immer noch in Kontakt mit dem Lichtbogenkontakt 3, d.h. der Schalter 6 ist noch geöffnet (Fig. 3(b)). Durch das Öffnen des Schalters 5 wird der Strom IM in dem Schalter 5 unterbrochen, und der Strom IM wird in die Abzweigung zum Schalter 6 übertragen. Die Zeitperiode vom Öffnen des Schalters 5 bis zur vollständigen Übertragung des Stroms IM zu der Abzweigung des Schalters 6 hängt von der innewohnenden Unterbrechungs-Charakteristik des Schalters 5 und dem Verhältnis des Widerstandwerts R der Widerstände 16 zu der Impedanz Z&sub1; ab.
• Im Fall, daß die Widerstände 16 nicht eingeführt sind, ist eine Impedanz des Lichtbogenkontakts 3 selbst vernachlässigbar klein, und es gilt die Beziehung V&sub1; = VS6 = 0. In einem solchen Zustand wird die oben erwähnte Übertragung des Stroms IM auf die Abzweigung des Schalters 6 sofort durchgeführt.
• Im Falle der in Fig. 3(a) oder 3(b) gezeigten Widerstände 16 wird die Spannung V&sub1; von V&sub1; = IR x R zwischen dem beweglichen Kontakt 1 und dem Hauptkontakt 2 erzeugt. Je höher somit der Widerstandswert der Widerstände 16 ist, desto höher wird die Spannung V&sub1; und die diesbezügliche Anstiegsrate. Im Fall, daß die Anstiegsrate der Spannung V&sub1; zu groß ist, kann ein Lichtbogen erzeugt werden, es fließt daher ein Lichtbogenstrom in den Schalter 5, und die Unterbrechung des Schalters 5 kann fehlschlagen. Demgemäß hat der Wert R der Widerstände 16 eine obere Grenze.
• Wenn die Wahl des oben erwähnten Werts von R passend ist, wird der Strom IM unterbrochen, und es fließt ein Strom IR' in den Zweig des Schalters 6 und die Widerstände 16 (welcher mit IR' bezeichnet wird und größer als IR ist), wie in Fig. 3(b) gezeigt. In Fig. 3(b) ist der Strom IR' abhängig von einer kombinierten Impedanz Z&sub1;', welche eine Kombination der Impedanz Z&sub1; und R ist. Beispielsweise wird die kombinierte Impedanz Z&sub1;' wie folgt ausgedrückt
• Z&sub1;' = Z&sub1;²+R² > Z&sub1; (3).
• Der Gleichung (3) ist zu entnehmen, daß Z&sub1;' größer als Z&sub1; ist. Daher ist der Strom IR' kleiner als I. Wenn schließlich, wie in Fig. 3(c) gezeigt, der Schalter 6 geöffnet wird, kann der kleinere Strom IR' mit Leichtigkeit durch den Schalter 6 unterbrochen werden.
• Je höher des weiteren der Wert von R ist, desto kleiner wird die Phasendifferenz zwischen der Spannung VS6 und dem Strom IR'. Daher wird die Wiedererlangungsspannung und die Wiedererlangungsperiode unmittelbar nach der Unterbrechung niedrig bzw. kurz. Somit kann der Schalter 6 den Strom IR' mit Leichtigkeit unterbrechen.
• Je kleiner zur Zeit des Öffnens des Schalters 5 und des Unterbrechens des Stroms IM in dem Schalter 5 zur Übertragung des Stroms in den Zweig des Schalters 6, wie oben erwähnt, der jeweilige Wert von R ist, desto leichter ist die Übertragung und daher die Unterbrechung des Stroms des Schalters 5. Je größer der Wert von R andererseits zu der Zeit des Öffnens des Schalters 6 ist, desto leichter ist die Unterbrechung des Schalters 6.
• Die leichte Unterbrechung des Trennschalters der vorliegenden Erfindung ist der kurzen Lichtbogenperiode und dem nicht vorhandenen Lichtbogen zu verdanken. Als Beispiel der Operation wird die Beziehung zwischen dem Widerstandswert R der Widerstände 16 und der mittleren Lichtbogenperiode des Hauptkontakts 2 und die Beziehung zwischen dem Widerstandswert R der Widerstände 16 und der Hauptlichtbogenperiode des Lichtbogenkontakts 3 (Schalter 6 von Figuren 3(a), 3(b) und 3(c)) in einem Trennschalter, welche durch Experimente erlangt sind, in Fig. 4 gezeigt. Ein Muster des Trennschalters wurde für einen Schleifenstrom von 8000 A und eine Wiedererlangungsspannung von 300 V betrieben. Ein Erfordernis für den Trennschalter ist eine Unterbrechungs-Charakteristik zum Durchführen von etwa 200 aufeinanderfolgender Unterbrechungen des Schleifenstroms ohne Wartung oder Überprüfung. Um die Unterbrechungs-Charakteristik zu erzielen, ist es nötig, beide oben erwähnte Lichtbogenperioden auf das Äußerste zu kürzen. Für den Trennschalter großer Belastbarkeit ist es sehr wichtig, die Lichtbogenperiode kürzer als einen Zyklus für viele Unterbrechungen mit hoher Zuverlässigkeit zu halten, wie sich aus den Experimenten ergibt. Es ist daher angemessen, den Wert des Widerstands R innerhalb des Bereiches von 0,01 Ω bis 1 Ω auszuwählen, wie dem Graphen von Fig. 4 zu entnehmen ist.
• Unter Berücksichtigung, daß der Widerstandswert R, welcher sowohl die Lichtbogenperiode des Hauptkontakts als auch des Lichtbogenkontakts bewirkt, gleich dem geeignetsten Wert ist, wurde in diesem Beispiel der Wert von R von etwa 0,2 Ω gewählt. Dieser Wert von 0,2 Ω ist etwa fünfmal so groß wie die Schleifenimpedanz einer längsten Schleife.

Claims (1)

1. Ein Trennschalter mit:

einem Gehäuse (10)

einem festen Elektrodenschild (8), welcher in dem Gehäuse (10) angebracht und von ihm isoliert ist,

einem beweglichen Elektrodenschild (9), welcher in dem Gehäuse (10) angebracht und von ihm und von dem festen Elektrodenschild (8) isoliert ist,

einem beweglichen Kontakt (1), welcher ein stabförmiges Gleitteil besitzt, welches gleitbar entlang seiner Achse in dem beweglichen Elektrodenschild (9) gehalten wird und elektrisch mit dem beweglichen Elektrodenschild (9) verbunden ist,

einem Hauptkontakt (2), welcher in dem festen Elektrodenschild (8) getragen wird und elektrisch damit verbunden ist und mit dem stabförmigen Gleitteil durch Gleitbewegung des beweglichen Kontakts (1) zu kontaktieren ist,

einem Widerstand (16), welcher in dem festen Elektrodenschild (8) mit einem Ende elektrisch mit dem festen Elektrodenschild (8) verbunden ist,

einem Lichtbogenkontakt (3), welcher beweglich in dem festen Elektrodenschild (8) gehalten wird und ein Rückende besitzt, das elektrisch gleitend mit dem anderen Ende des Widerstands (16) und einem vorderen Ende zum Berühren des stabförmigen Gleitteils verbunden ist,

einer Reihenschaltung (6, 16), welche einen ersten Schalter (6) und den Widerstand (16) aufweist, und

einem zweiten Schalter (5), welcher parallel mit der Reihenschaltung (6, 16) verbunden ist, wobei der zweite Schalter vor dem ersten Schalter geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

der Widerstand einen Widerstandswert von 0,1 Ω bis 1 Ω besitzt.