DE69505772T2 - Gasisoliertes Hochspannungsgerät mit einem Lichtbogenkurzschlusselement - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein mehrpoliges elektrisches Hochspannungsschaltgerät mit spannungsführenden leitenden Teilen, die in einem gasdichten, mit einem isolierten Gas hoher dielektrischer Festigkeit, insbesondere Schwefelhexafluorid gefüllten Metallgehäuse angeordnet sind, wobei das genannte Schaltgerät mit einer Lichtbogen-Kurzschließvorrichtung ausgerüstet ist, die bei Auftreten eines internen Durchschlags aufgrund einer fehlerhaften Gasisolierung anspricht und
• - einen Kraftspeicherantrieb, der einer beweglichen Trägereinheit für erste Kontaktmittel zugeordnet ist, die dazu dienen, mit an den leitenden Teilen befestigten zweiten Kontaktmitteln zusammenzuwirken,
• - eine Auslösevorrichtung mit einem Verklinkungshebel, der zwischen einer, der Trennung der genannten ersten und zweiten Kontaktmittel entsprechenden Gespanntstellung und einer, der Freigabe des Antriebs zwecks Einschaltung der genannten Kontaktmittel entsprechenden Ausgelöststellung verschwenkt werden kann, sowie
• - einen Druckdetektor umfaßt, der eine Änderung des Gasdrucks im Innern des Gehäuses erfaßt, um bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwerts aufgrund der Bildung eines internen Lichtbogens den Übergang des Verklinkungshebels von der Gespanntstellung in die Ausgelöststellung zu bewirken, wobei
• - sämtliche Teile des Antriebs, der Auslösevorrichtung und des Druckdetektors vollständig im Innern des geschlossenen Gehäuses angeordnet sind.
• Das Prinzip eines solchen Lichtbogen-Kurzschließers besteht darin, den internen Lichtbogen zu beseitigen, indem er über eine feste leitende Strecke mit geringem Widerstand abgeleitet wird, die einem Kurzschluß zwischen den Phasenleitern der elektrischen Ausrüstung entspricht.
• In der Druckschrift FR-A-2.687.022 wird ein gekapseltes Schaltgerät mit einem automatischen Erdungstrenner beschrieben, in dem drei auf einer gemeinsamen Drehachse angeordnete messerförmige Leiter zur Anwendung kommen. Der Auslösemechanismus umfaßt einen Kolben-Druckdetektor. Die bewegliche Einheit weist ein beträchtliches Gewicht auf, das die Einschaltzeit der Erdungskontakte verzögern kann. Durch die Form der als Messer ausgebildeten beweglichen Kontakte müssen der Mechanismus überdimensioniert oder zur Beherrschung der elektrodynamischen Rückprallkräfte kompensierte Kontakte verwendet werden.
• Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die bewegliche Einheit leichter zu gestalten, um die Einschaltzeit der Lichtbogen-Kurzschließvorrichtung zu verkürzen.
• Eine zweite, der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Energie des Kraftspeicherantrieb bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Kurzschlußstromfestigkeit zu verringern.
• Eine dritte, der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Zuverlässigkeit des der Verklinkung der Kurzschließvorrichtung zugeordneten Druckdetektors zu verbessern.
• Das erfindungsgemäße Schaltgerät ist dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Kontaktmittel als drei, durch zwei Brückungszwischenräume voneinander getrennte, feststehende Kontaktstifte mit annähernd zylindrischem Querschnitt ausgebildet sind und daß die ersten Kontaktmittel zwei bewegliche Kontaktbrücken umfassen, die dazu dienen, sich in der Ausgelöststellung des Verklinkungshebels in die zugehörigen Brückungszwischenräume zu schieben, um in Anschlag gegen Mantellinien der feststehenden Stifte zu gelangen und dabei ein Kurzschließen der Phasen der leitenden Teile zu gewährleisten. Durch die Verwendung der zwei beweglichen Kontakte zur Gewährleistung des Kurzschließens kann die bewegliche Einheit leichter ausgeführt und so eine kurze Einschaltzeit der Kontakte erzielt werden.
• Jede Kontaktbrücke ist in Form eines Keils mit zwei, gegenüber dem zugehörigen Brückungszwischenraum in einem spitzen Winkel zueinander stehenden Schrägen ausgebildet, so daß die beim Kurzschließen auftretenden elektrodynamischen Rückprallkräfte aufgenommen werden. Die Keilform erlaubt eine Aufnahme der elektrodynamischen Rückprallkräfte, so daß keinerlei Notwendigkeit zur Verwendung kompensierter Kontakte oder überdimensionierter Mechanismen besteht.
• Nach einem kennzeichnenden Merkmal der Erfindung umfaßt der Verklinkungshebel einen Haken, der in der Gespanntstellung mit einer, an einem Schieber der beweglichen Einheit befestigten Rückhalterolle zusammenwirkt, wobei der Verriegelungsbereich der Rolle in der mittleren Symmetrieebene der beiden Kontaktbrücken angeordnet ist. Der Antrieb weist zwei Federn auf, die den Schieber beim Verschwenken des Verklinkungshebels in die Ausgelöststellung in Richtung der zweiten Kontaktmittel beaufschlagen.
• Der Druckdetektor besteht aus einer Membran aus einem verformbaren Material, die gasdicht über einer Öffnung einer Hilfskammer angebracht ist, welche über eine kalibrierte Überdrucköffnung mit dem restlichen Innenraum des Gehäuses in Verbindung steht, wobei der Referenzraum der genannten Kammer kleiner ist als der des Gehäuses. Durch Verwendung eines Membrandetektors können Leckagen ausgeschlossen und jegliche Klemmgefahr mit gegebenenfalls daraus resultierendem Blockieren der Auslösewirkung des Detektors verhindert werden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
• Fig. 1 den Stromlaufplan einer Dreiphasen-Schaltanlage mit Einspeisezellen, die mit einer Lichtbogen-Kurzschließvorrichtung ausgerüstet sind,
• Fig. 2 eine Schnittansicht der Kurzschließvorrichtung entlang der Linie 2-2 aus Fig. 3 mit Darstellung der Kurzschließvorrichtung in der Ausschaltstellung,
• Fig. 3 eine Vorderansicht der Kurzschließvorrichtung in der Ausschaltstellung,
• Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Ansicht mit Darstellung der Kurzschließvorrichtung in der Einschaltstellung,
• Fig. 5 eine Fig. 2 entsprechende Ansicht mit Darstellung der Kurzschließvorrichtung in der Einschaltstellung.
• Fig. 1 zeigt eine Dreiphasen-Mittelspannungs- oder Hochspannungsschaltanlage 10 mit zwei Funktionseinheiten bzw. Einspeisezellen 12, 14, die über gemeinsame Sammelschienen 18 mit einer dritten Funktionseinheit bzw. Abgangs- und Schutzzelle 16 verbunden sind. Der allgemeine Aufbau der Schaltanlage 10 ist beispielhaft in der französischen Patentschrift 2.507.835 der Anmelderin beschrieben.
• Jede Einspeisezelle 12, 14 enthält einen zwischen die Sammelschienen 18 und die mit dem Leitungsnetz verbundenen Eingangskabel 24, 26 eingesetzten Dreiphasen-Lastschalter oder -Leistungsschalter 20, 22 mit drei Schaltstellungen sowie eine Lichtbogen-Kurzschließvorrichtung 28, 30, die nachstehend näher beschrieben werden soll.
• Die Abgangszelle 16 umfaßt einen Dreiphasen-Lastschalter 32 mit drei Schaltstellungen, der über Schmelzsicherungen 34 an die Ausgangskabel 36 zur Einspeisung eines Verbrauchers, insbesondere eines Transformators (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Es ist klar, daß die Kombination aus Lastschalter 32 und Schmelzsicherungen 34 auch durch einen Leistungsschalter ersetzt werden kann.
• Jeder Lastschalter 20, 22, 32 weist pro Phase einen beweglichen Kontakt auf, der zur Einnahme einer Einschaltstellung, einer Ausschaltstellung oder einer Erdungsstellung mit einem Antrieb zusammenwirkt.
• Sämtliche spannungsführenden leitenden Teile der Ausrüstung sind in ein geschlossenes Metallgehäuse 38 eingesetzt, das mit einem Isoliergas mit hoher dielektrischer Festigkeit, insbesondere Schwefelhexafluorid SF6 gefüllt ist.
• Die in Fig. 2 bis 5 gezeigte Lichtbogen-Kurzschließvorrichtung 28 der Einspeisezelle 12 ist mit der Kurzschließvorrichtung 30 der anderen Einspeisezelle 14 identisch und vollständig im gasdichten Gehäuse 38 angeordnet. Ein feststehendes Chassis 40 ist fest mit der Innenwand des Gehäuses 38 verbunden und dient als Träger für die Kurzschließvorrichtung 28, welche eine bewegliche Einheit 42 mit zwei Brückenkontakten 44, 46 umfaßt, die mit drei, auf der Innenseite der mit den Einspeisekabeln der zugehörigen Phasen verbundenen Durchführungen 54 angeordneten feststehenden Kontakten 48, 50, 52 zusammenwirken.
• Die feststehenden Kontakte 48, 50, 52 weisen einen zylindrischen Querschnitt auf und sind im Innern des Gehäuses 38 durch zwei Brückungszwischenräume 56, 58 (siehe Fig. 3) mit identischer Breite voneinander getrennt.
• Jeder Brückenkontakt 44, 46 der beweglichen Einheit weist zwei seitliche Schrägen 44a, 44b; 46a, 46b auf, die in einem spitzen Winkel zueinander stehen, um einen Keil zu bilden, der sich in der Einschaltstellung in den zugehörigen Brückungszwischenraum 56, 58 schiebt (siehe Fig. 4). Die Seitenflächen des Keils gelangen dabei in Anschlag gegen zwei parallele Mantellinien der feststehenden zylindrischen Kontakte 48, 50, 52.
• Der beweglichen Einheit 42 ist ein Kraftspeicherantrieb 60 zugeordnet, der eine Teleskopführung 62 mit zwei darin eingesetzten Druckfedern 64, 66 sowie einen Verklinkungshebel 68 umfaßt, der auf einer Achse 70 zwischen einer Gespanntstellung (siehe Fig. 2) und einer Ausgelöststellung (siehe Fig. 5) um einen begrenzten Winkel verschwenkt werden kann. Die beiden Federn 64, 66 stützen sich am Chassis 40 ab und beaufschlagen dabei den beweglichen Schieber 72 der Teleskopführung 62 in Richtung der feststehenden Kontakte 48, 50, 52, wobei die Brückenkontakte 44, 46 auf der den Federn 64, 66 abgewandten Seite des Schiebers 72 angeordnet sind.
• Der Verklinkungshebel 68 umfaßt einen Haken 74 mit abgerundetem Innenrand, der in der Gespanntstellung mit einer, am Schieber 72 befestigten Rückhalterolle 75 zusammenwirkt. Gegenüber dem Haken 74 ist eine Steuerzunge 76 ausgebildet, die über eine Auslösevorrichtung mit Druckdetektor 78 betätigt wird, welche bei einem schnellen Anstieg des SF6-Gasdrucks im Innern des Gehäuses 38 den Verklinkungshebel 68 durch Beaufschlagung des Hakens 74 in Richtung der Ausgelöststellung freigibt.
• Der Druckdetektor 78 ist im Innern des Gehäuses 38 angeordnet und weist eine Membran 80 aus einem gasdichten, verformbaren Material auf, die dazu dient, die Druckänderung in eine auf die Steuerzunge 78 des Verklinkungshebels 68 wirkende mechanische Kraft F umzuwandeln. Die Membran 80 ist gasdicht über einer Öffnung einer Hilfskammer 82 angebracht, die über eine kalibrierte Überdrucköffnung 84 mit dem Innenraum des Gehäuses 38 in Verbindung steht, wobei der Referenzraum der Kammer 82 kleiner ist als der restliche Innenraum des Gehäuses 38. Der Durchlaß der kalibrierten Öffnung 84 erlaubt den Ausgleich beispielsweise durch Temperaturänderungen verursachter langsamer Druckänderungen zwischen den Räumen und verhindert jegliche Zerstörung der Membran 80 bei der Evakuierung und Füllung des Gehäuses 38 mit dem Isoliergas SF6.
• Die Membran 80 und die Zunge 76 des Verklinkungshebels 68 sind gegenüber den spannungsführenden Teilen durch eine Abdeckung 86 aus einem leitenden Material geschützt, die auf Erdpotential liegt. Das Vorhandensein dieser Abdeckung 86 verbessert die Isolationsfestigkeit der Schaltanlage 10 und bewirkt, daß sich der Druckdetektor 78 in einem quasifeldfreien Raum befindet, so daß jegliche Zündung eines internen Lichtbogens zwischen den spannungsführenden Teilen und einem empfindlichen Element der Kurzschließvorrichtung 28 verhindert wird.
• Der Bereich der Verriegelung der Rückhalterolle 75 durch den Verklinkungshebel 68 ist in einer Mittellage und insbesondere in der mittleren Symmetrieebene der Brückenkontakte 44, 46 und der Federn 64, 66 angeordnet, derart daß der Schieber 72 in der Gespanntstellung des Antriebs 60 unter der Druckwirkung der Federn 64, 66 mit einer gleichmäßig verteilten Kraft gehalten wird.
• Die Brückenkontakte 44, 46 sowie die feststehenden Kontakte 48, 50, 52 bestehen aus Kupfer ohne irgendeine spezielle Beschichtung.
• Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kurzschließvorrichtung 28 wird nachstehend beschrieben.
• Während des Normalbetriebs der Schaltanlage 10 ist der Druck des SF6-Gases im Innern des Gehäuses 38 konstant und erreicht einen Wert von etwa 1 bis 2 bar. Die Brückenkontakte 44, 46 sind geöffnet (siehe Fig. 2 und 3) und werden in der Gespanntstellung des Kraftspeicherantrieb 60 durch die Verriegelung des Schiebers 72 ununterbrochen in dieser Stellung gehalten.
• Eine fehlerhafte Gasisolierung im Innern des Gehäuses 38 kann einen Durchschlag, beispielsweise zwischen den Leitern der Sammelschienen 18 verursachen, wodurch ein interner Lichtbogen entsteht und es zu einem schnellen Druckanstieg des SF6-Gases im Innern des Gehäuses 38 kommt. Dies führt zu einer Druckdifferenz in bezug auf den Referenzraum der Hilfskammer 82, wodurch die Membran 80 in Richtung des Pfeils F1 (Fig. 5) eingedrückt wird. Diese Eindrückbewegung der Membran 80 bewirkt das Verschwenken des Verklinkungshebels 68 um die Achse 70 in Richtung des Pfeils F2, so daß die Rolle 75 freigegeben wird und den Übergang des Antriebs 60 in die Ausgelöststellung ermöglicht.
• Die Entspannung der Federn 64, 66 treibt den Schieber 72 der beweglichen Einheit 42 in Richtung des Pfeils F3, wodurch ein schnelles Eindringen der beiden Brückenkontakte 44, 46 in die zwischen den drei feststehenden Kontakten 48, 50, 52 ausgebildeten Zwischenräume 56, 58 erfolgt. Das Schließen der Kontakte bewirkt das Kurzschließen der drei Phasen und das Löschen des Lichtbogens, sofern dieser über das Netz 24 gespeist wird. Der Lichtbogen wird über eine feste Leiterstrecke mit geringem Widerstand abgeleitet, die einem Kurzschluß zwischen den Phasenleitern der elektrischen Ausrüstung entspricht.
• Durch die Keilform der Brückenkontakte 44, 46 können Kontaktdrücke erreicht werden, die über der Druckkraft der Federn 64, 66 liegen und die elektrodynamischen Rückprallkräfte aufnehmen können, ohne überdimensionierte Federn verwenden zu müssen. Nach dem Schließen der Kurzschließvorrichtung 28 erlauben die spezifischen Abmessungen der feststehenden Kontakte 48, 50, 52 und der Brückenkontakte 44, 46 die Führung des Kurzschlußstroms über den der Ansprechverzögerung der nachgeschalteten Schutzorgane des Netzes entsprechenden Zeitraum.
• Durch das Vorhandensein der leitenden, mit Erde verbundenen Abdeckung 86 wird ein feldfreier Raum erzeugt, in dem die empfindlichen Elemente des Druckdetektors 78 angeordnet sind. Der Lichtbogen kann sich nicht bis in diesen Bereich ausbreiten, so daß ein vollkommen sicherer Betrieb der Kurzschließvorrichtung 28 unabhängig vom Ort des Auftretens des Lichtbogens im Innern des Gehäuses 3 8 gewährleistet ist.
• Der Aufbau der Kurzschließvorrichtung 28 entspricht folgenden Anforderungen:
• - kein ungewolltes Ansprechen bei Auftreten verschiedener, auf die elektrische Ausrüstung wirkender Einflußgrößen,
• - sicheres Ansprechen bei Auftreten eines internen Lichtbogens mit einer Stärke und Dauer entsprechend bestimmter, vom Hersteller angegebener Werte.
• Bei Vorortinstallation der Schaltanlage lassen sich die Kurzschließvorrichtungen 28, 30 mit Hilfe von Vorhängeschlössern in der Ausschaltstellung verriegeln, wobei dem Verklinkungshebel 68 Blockiermittel zugeordnet werden, die ein ungewolltes Auslösen des Kraftspeicherantriebs 60 durch gegebenenfalls bei der Handhabung oder beim Transport der Schaltanlage auftretende mechanische Stöße verhindern.
• Selbstverständlich kann anstelle des Schiebers des Antriebs 60 auch eine schwenkbare bewegliche Einheit verwendet werden.

Claims (7)

1. Mehrpoliges elektrisches Hochspannungsschaltgerät mit spannungsführenden leitenden Teilen, die in einem gasdichten, mit einem isolierten Gas hoher dielektrischer Festigkeit, insbesondere Schwefelhexafluorid gefüllten Metallgehäuse (38) angeordnet sind, wobei das genannte Schaltgerät mit einer Lichtbogen-Kurzschließvorrichtung (28, 30) ausgerüstet ist, die bei Auftreten eines internen Durchschlags aufgrund einer fehlerhaften Gasisolierung anspricht und

- einen Kraftspeicherantrieb (60), der einer beweglichen Trägereinheit (42) für erste Kontaktmittel (44, 46) zugeordnet ist, die dazu dienen, mit an den leitenden Teilen befestigten zweiten Kontaktmitteln (48, 50, 52) zusammenzuwirken,

- eine Auslösevorrichtung mit einem Verklinkungshebel (68), der zwischen einer, der Trennung der genannten ersten und zweiten Kontaktmittel entsprechenden Gespanntstellung und einer, der Freigabe des Antriebs (60) zwecks Einschaltung der genannten Kontaktmittel entsprechenden Ausgelöststellung verschwenkt werden kann, sowie

- einen Druckdetektor (78) umfaßt, der eine Änderung des Gasdrucks im Innern des Gehäuses (38) erfaßt, um bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwerts aufgrund der Bildung eines internen Lichtbogens den Übergang des Verklinkungshebels (68) von der Gespanntstellung in die Ausgelöststellung zu bewirken, wobei

- sämtliche Teile des Antriebs (60), der Auslösevorrichtung und des Druckdetektors (78) vollständig im Innern des geschlossenen Gehäuses (38) angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Kontaktmittel (48, 50, 52) als drei, durch zwei Brückungszwischenräume (56, 58) voneinander getrennte, feststehende Kontaktstifte mit annähernd zylindrischem Querschnitt ausgebildet sind und daß die ersten Kontaktmittel (44, 46) zwei bewegliche Kontaktbrücken umfassen, die dazu dienen, sich in der Ausgelöststellung des Verklinkungshebels (68) in die zugehörigen Brückungszwischenräume (56, 58) zu schieben, um in Anschlag gegen Mantellinien der feststehenden Stifte zu gelangen und dabei ein Kurzschließen der Phasen der leitenden Teile zu gewährleisten.

2. Elektrisches Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kontaktbrücke (44, 46) in Form eines Keils mit zwei, gegenüber dem zugehörigen Brückungszwischenraum (56, 58) in einem spitzen Winkel zueinander stehenden Schrägen (44a, 44b, 46a, 46b) ausgebildet ist, so daß die beim Kurzschließen auftretenden elektrodynamischen Rückprallkräfte aufgenommen werden können.

3. Elektrisches Schaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verklinkungshebel (68) einen Haken (74) umfaßt, der in der Gespanntstellung mit einer, an einem Schieber (72) der beweglichen Einheit (42) befestigten Rückhalterolle (75) zusammen wirkt, wobei der Verriegelungsbereich der Rolle (75) in der mittleren Symmetrieebene der beiden Kontaktbrücken (44, 46) angeordnet ist, und daß der Antrieb (60) zwei Federn (64, 66) aufweist, die den Schieber (72) beim Verschwenken des Verklinkungshebels (68) in die Ausgelöststellung in Richtung der zweiten Kontaktmittel (48, 50, 52) beaufschlagen.

4. Elektrisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckdetektor (78) aus einer Membran (80) aus einem verformbaren Material besteht, die gasdicht über einer Öffnung einer Hilfskammer (82) angebracht ist, welche über eine kalibrierte Überdrucköffnung (84) mit dem restlichen Innenraum des Gehäuses (38) in Verbindung steht, wobei der Referenzraum der genannten Kammer (82) kleiner ist als der des Gehäuses (38).

5. Elektrisches Schaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (80) des Druckdetektors (78) mit einer Steuerzunge (76) zur Betätigung des schwenkbaren Verklinkungshebels (68) gekoppelt ist.

6. Elektrisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abdeckung (86) aus einem leitenden Material den Druckdetektor (78) umgibt, um einen quasifeldfreien Raum zu bilden, wobei die genannte Abdeckung (86) elektrisch mit Erde verbunden ist.

7. Elektrisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschließvorrichtung (28, 30) auf einem fest mit der Innenwand des Metallgehäuses (38) verbundenen Chassis (40) montiert ist.